Elektrischer Generator

Kleiner Tischgenerator mit Handkurbelantrieb

Ein elektrischer Generator (zu lateinisch generare ‚hervorholen‘, ‚erzeugen‘) ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie oder mechanische Energie in elektrische Energie wandelt und damit technisch gesehen das Gegenstück zu einem Elektromotor ist, der umgekehrt elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt.

Der Generator fußt auf dem von Michael Faraday 1831 entdeckten Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Wirkungsweise

Veranschaulichung der Lorentzkraft

Schematischer Aufbau eines vierpoligen Wechselstromgenerators

Allen elektrischen Generatoren, die mittels elektrischer Induktion arbeiten, ist das Prinzip gemeinsam, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Die mechanische Leistung wird dem Generator in Form der Drehung einer mechanischen Welle zugeführt.

Die Umwandlung beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte, elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Bewegt sich ein Leiter quer (senkrecht) zum Magnetfeld, wirkt die Lorentzkraft auf die Ladungen im Leiter in Richtung dieses Leiters und setzt sie so in Bewegung. Diese Ladungsverschiebung bewirkt eine Potentialdifferenz und erzeugt eine elektrische Spannung zwischen den Enden des Leiters. Um die Spannung zu erhöhen, werden mehrere in Form einer Spule in Reihe geschaltete Leiter verwendet. In der nebenstehenden Animation ist ausschließlich die Verschiebung des Leiters (oder der zwei relevanten Spulenabschnitte) quer senkrecht zum Magnetfeld relevant. Dies wird anhand der roten Fläche veranschaulicht. Je größer die Flächenänderung pro Zeiteinheit (durchlaufene Strecke des Leiters) ist, desto stärker ist die Spannung.

Pulsierende Gleichspannung

Wechselspannung

Diese Wirkungsweise ist von derjenigen elektrostatischer Generatoren zu unterscheiden, in denen die Trennung elektrischer Ladungen durch das elektrische Feld, nicht das magnetische, vorgenommen wird.

Im Generator wird der Rotor (auch Läufer genannt) im Inneren des Generators gegenüber dem feststehenden Stator-Gehäuse (auch Ständer genannt) gedreht. Durch das vom Rotor mit einem Dauermagnet oder einem Elektromagnet (Feldspule oder Erregerwicklung genannt) erzeugte, umlaufende magnetische Gleichfeld wird in den Leitern oder Leiterwicklungen des Stators durch die Lorentzkraft elektrische Spannung induziert.

Bei Gleichstromgeneratoren wird der Strom im Rotor (Läufer) induziert, die Feldspule oder der Dauermagnet ist außen. Der generierte Strom wird mit einem Kommutator gleichgerichtet.

Die erzeugte elektrische Leistung gleicht der mechanischen Leistung, abzüglich der auftretenden Verluste. Damit folgt die Leistungsgleichung eines elektrischen Generators:

P_el = P_mech − P_v

P_el ist die erzeugte elektrische Leistung, P_mech ist die zugeführte mechanische Leistung, P_v ist die Verlustleistung. Im Generator selbst gibt es noch sogenannte Kupferverluste und Eisenverluste, welche ebenfalls noch abgezogen werden müssen.

Die entnommene Spannung kann über die Größe des Erregerfeldes gesteuert werden, wenn dieses mit einem Elektromagnet (elektrische Erregung, Fremderregung) erzeugt wird. Diese Steuerungsmethode wird nicht nur in Kraftwerken, sondern auch in Lichtmaschinen von KFZ angewendet (Lichtmaschinenregler).

Aufbau

Drehgenerator

Mini-Dynamo mit Gleichrichterdiode in einer Taschenlampe

Um im Wechselstrom- oder Drehstrom-Synchrongenerator eine sinusförmige Spannung zu erzeugen, muss der Rotor ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugen. Er trägt hierzu neben der Feldspule Polschuhe mit pilzförmigem Querschnitt, die das Magnetfeld verteilen. Die Anzahl der Pole (mindestens zwei, weitere geradzahlige Anzahlen möglich) entscheidet über die Frequenz der abgegebenen Spannung bei gegebener Drehzahl. Die Feldwicklung muss sehr gut befestigt sein, damit sie die hohen Fliehkräfte übersteht. Ein zu vermeidender Betriebszustand ist der Lastabwurf, der ohne den Eingriff eines Reglers den Generator zerstören würde, weil die steigende Drehzahl der antreibenden Dampf- oder Gasturbine zu übermäßigen Fliehkräften in den Ankerwicklungen führt. Der Rotor bei Kurzschlussläufer- oder Asynchron-Generatoren benötigt keine Stromzuführung, bei Synchrongeneratoren erfolgt die Stromzuführung über Schleifringe. Durch Hilfsgeneratoren auf der gleichen Welle kann bei Synchrongeneratoren auf Schleifringe verzichtet werden.

Die Generatorwicklungen sind innen verteilt in mehreren Nuten des hohlzylinderförmigen Stator-Blechpaketes untergebracht. Die mit den Wicklungen gefüllten Nuten verengen sich nach innen hin wieder und bilden ebenfalls Polschuhe. Der äußere Mantel des Blechpaketes enthält keine Wicklungen, er dient als Joch oder magnetischer Rückschluss, um das magnetische Wechselfeld in den Wicklungen zu konzentrieren.

Gleichstromgeneratoren benötigen einen Kommutator (Stromwender) zur Abnahme und Gleichrichtung der bei ihnen im Läufer generierten Spannung. Da bei ihnen die gesamte erzeugte elektrische Leistung über den Kommutator übertragen werden muss, sind sie heute nicht mehr gebräuchlich. Benötigt man Gleichspannung, werden Wechselstromgeneratoren mit nachgeschalteten Gleichrichtern eingesetzt, beispielsweise der Generator im KFZ (umgangssprachlich Lichtmaschine).

Asynchrongeneratoren sind ebenso wie Asynchronmotoren aufgebaut. Sie besitzen weder eine Feldspule noch Schleifringe, sondern einen Kurzschlussläufer. Das mit diesem umlaufende Magnetfeld wird durch den Strom in den Generatorwicklungen erzeugt. Asynchrongeneratoren können daher nur dann Strom liefern, wenn sie an eine Wechselspannung angeschlossen sind oder bereits Strom erzeugen. Bei Inselbetrieb sind sie hierzu mit Kondensatoren belastet und besitzen zum Start oft einen kleinen Dauermagneten im Rotor. Oft reicht jedoch die Restmagnetisierung aus.

Fast alle moderneren Generatoren kleinerer Leistung sind Drehstromasynchronmaschinen, während Großgeneratoren (ca. ab 0,1 MW), jedoch auch der Generator im Kraftfahrzeug und am Fahrrad Synchronmaschinen sind. Nur Synchronmaschinen sind in der Lage, neben der Wirkleistung auch die in Kraftwerken kontrolliert erforderliche Blindleistung zur Verfügung zu stellen.

Lineargenerator

→ Hauptartikel: Lineargenerator

Stelzermotor, Funktion (animiert)

Ein Lineargenerator (auch Induktions- oder Schüttel-Generator genannt) in seiner einfachsten Form kann mit dem Stelzer-Motor realisiert werden. Hierbei befindet sich auf beiden Seiten des freischwingenden Kolbens je eine Spule, in die das Ende des Kolbens eintaucht, auf dem sich ein Magnet befindet. Die Frequenz der erzeugten Wechselspannung ist abhängig von der Frequenz des freischwingenden Kolbens und schwankt lastabhängig.

Ein spezielles Anwendungsbeispiel für diese Technik sind die Schüttel-Taschenlampen. Hierbei bewegt sich durch die Schüttelbewegung ein starker Neodym-Magnet durch eine Spule. Die hierbei erzeugte Spannung ist ausreichend um einen Doppelschicht-Kondensator (1 bis 2 Farad, 3 bis 4 Volt) zu laden, der dann ein oder mehrere LED-Lampen für längere Zeit mit Strom versorgen kann. Ein weiteres Anwendungsbeispiel für Lineargeneratoren sind damit ausgestattete Akkumulatoren (z.B. im AA- oder AAA-Format), welche für ähnlich sparsame Geräte universell eingesetzt werden können.^[1]

Großtechnische Generatoren

Großtechnische Drehstrom-Synchronmaschinen, die zumeist als Innenpolmaschine ausgeführt sind, bestehen aus einem Stator genannten feststehenden Teil, der im Prinzip eine große Induktionsspule mit Eisenkern darstellt. Der Stator ist in der Regel kein massiver Eisenkörper, sondern wird zur Vermeidung von Wirbelströmen aus vielen einzelnen, voneinander isolierten Blechlamellen aufgebaut. Bei Großgeneratoren werden diese Lamellen aus nichtkornorientiertem Dynamoblech hergestellt, seltener auch aus kornorientiertem Dynamoblech. Der drehbare Teil des Generators besteht aus den Lagern und dem geschmiedeten und massiven Volltrommelrotor (Walzenläufer). Im Rotor treten bei symmetrischer Belastung keine Wirbelströme auf, weshalb auf die Laminierung verzichtet werden kann. Dem Rotor wird über die Welle mechanische Leistung zugeführt. Die heute verwendeten Großgeneratoren für Kraftwerke sind beinahe ausnahmslos Vollpolmaschinen für eine (landesspezifische) Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz.

Schnelllaufende Synchrongeneratoren, wie sie in Kombination mit Dampfturbinen in Kohle- und Kernkraftwerken zum Einsatz kommen, werden als Turbogenerator oder Vollpolmaschine bezeichnet. Ihr Erregerfeld weist typischerweise zwei oder vier Pole auf. Die Speisung der Erregerwicklung erfolgt bei modernen Anlagen nach dem Prinzip der bürstenlosen oder statischen Erregung. Bei Wasserkraftwerken kommen aufgrund der geringen Drehzahl der Turbinen typischerweise Schenkelpolmaschinen mit deutlich mehr als vier Polen zum Einsatz.

Der Vorteil der Synchrongeneratoren gegenüber Asynchrongeneratoren besteht darin, dass sie je nach Regelung sowohl Wirkleistung als auch induktive bzw. kapazitive Blindleistung an das Versorgungsnetz liefern bzw. aus ihm aufnehmen können. Je nach Höhe ihrer magnetischen Erregung geben Synchrongeneratoren reine Wirkleistung ab oder liefern zusätzlich Blindleistung ins Verbundnetz, die zur Kompensation induktiver und kapazitiver Verbraucher benötigt wird. Sie können damit in elektrischen Energieversorgungsnetzen als aktive Phasenschieber dienen. Asynchrongeneratoren haben als Generator in der elektrischen Energietechnik nicht diese Bedeutung.

Die Strangspulen von Großgeneratoren erwärmen sich im Betrieb erheblich und müssen daher gekühlt werden. Die Spulen im Stator werden mit Wasser gekühlt, die im Rotor dagegen mit Wasserstoff, der durch das Generatorgehäuse unter einem Druck von bis zu 10 bar zirkuliert und seine Wärme in einem nachgeschalteten Wärmeübertrager abgibt. Mit Wasserstoff (Spezifische Wärmekapazität = 14,3 J/(gK)) wird deutlich bessere Kühlung bei geringerer Reibung als mit Luft (nur 1 J/(gK)) erzielt. Generatoren mit einer Leistung von kleiner 300 MVA werden meistens mit Luft gekühlt. Dabei zirkuliert die Luft im Gehäuse und durch die Spulen im Stator. Die Ventilatoren sind direkt auf dem Rotor aufgebracht. Die Luft wird mit Wasserkühlern gekühlt, die direkt im unteren Teil des Generatorgehäuses liegen.

Eine Besonderheit stellen die Generatoren zur Erzeugung von Bahnstrom dar. Wegen der einphasigen Spannung mit angenähert 16,7 Hz sind diese Generatoren als Wechselstrom-Synchronmaschine ausgeführt und drehen mit einer Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute (1/3 der Drehzahl von 50-Hz-Generatoren). Deren Frequenz lag früher bei 50 Hz/3 = 16²/₃ Hz und wurde später aus technischen Gründen geändert. Der magnetische Fluss innerhalb dieser Generatoren ist gegenüber dem Fluss in 50-Hz-Maschinen bei gleicher Leistung dreimal so groß. Bahnstromgeneratoren benötigten daher entsprechend größere Querschnitte aus Eisen. Sie sind aus diesem Grunde deutlich größer als vergleichbare 50-Hz-Generatoren. Hinzu kommt ein mit doppelter Netzfrequenz umlaufendes und pulsierendes Drehmoment auf den Antrieb. Diese Pulsation wirkt sich auch auf die Fundamente der Maschine aus; der Generator wird daher auf Federn aufgestellt. Zwischen Antrieb und Generator wird aus dem gleichen Grunde eine elastische Kupplung geschaltet. Bahnstromgeneratoren werden meist von Elektromotoren aus dem Stromnetz angetrieben (die Kombination heißt Umformer), die Einrichtung heißt Unterwerk. Heute wird Bahnstrom in Unterwerken elektronisch aus der Netzspannung erzeugt.

Im Mülheimer Siemens-Werk wurde der weltweit größte Drehstromsynchron-Generator für das finnische Kernkraftwerk Olkiluoto gefertigt. Er hat eine Bemessungsscheinleistung von 1992 MVA.^[2]

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  Drehzahlregulator an einem dampfmaschinenbetriebenen Generator (um 1900)

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  Dampfmaschinen-getriebener, 56-poliger Generator mit sechspoliger Erregermaschine (Bj.: 1910; 650 kW)

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  Generator im Kraftwerk Schwarze Pumpe (Bj.: 1995; 1000 MW)

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  Turbogenerator mit Dampfturbine in einem Kernkraftwerk

Geschichte

Erste Stromerzeugung durch Induktion

Den ersten bekannt gewordenen Wechselstromerzeuger baute Hippolyte Pixii auf Anregung von Ampère, das Modell (siehe Galerie) wurde 1832 aus zwei Spulen gefertigt, unter denen ein Hufeisenmagnet kreist. Der Strom wird noch in der Maschine durch einen Kommutator gleichgerichtet. Im selben Jahr wurde von Michael Faraday eine Unipolarmaschine gebaut, die bei Rotation des zylindrischen Permanentmagnets auf der Drehachse durch Unipolarinduktion einen Gleichstrom erzeugt. Ebenfalls im Jahr 1832 wurde von Dal Negro ein schwingender Apparat zur Erzeugung konstruiert; weitere nichtrotierende Stromerzeuger wurden von Carl Friedrich Gauß und anderen gebaut.

Erster großtechnischer Einsatz von Wechselstromgeneratoren

Der Wechselstromgenerator der Gesellschaft Alliance (siehe Galerie) nach einer Anregung von Floris Nollet (Brüssel) aus dem Jahr 1849 war der erste Generator, der in der Industrie nennenswerten Einsatz fand. Der gedachte Einsatzzweck der Maschinen war es, Wasser elektrochemisch zu zerlegen, um Leuchtgas für die Beleuchtung zu gewinnen. Tatsächlich dienten die meisten Maschinen jedoch ohne Kommutator in englischen und französischen Leuchttürmen zum Betrieb von Bogenlampen. Die letzten wurden erst in der Wende zum 20. Jahrhundert außer Betrieb genommen.

Erste Generatoren ohne Dauermagneten

Als Erfinder des Generators ohne Permanentmagnete wird bevorzugt Werner von Siemens genannt, der 1866 das dynamoelektrische Prinzip entdeckte und eine erste Dynamomaschine damit ausstattete. Bereits vor Siemens hatten jedoch Ányos Jedlik 1851 und Søren Hjorth 1854 mit dem von der Maschine selbst erzeugten Strom die Feldmagnete gespeist und dies beschrieben. Zeitgleich mit Siemens entdeckten und publizierten zudem auch Samuel Alfred Varley und Charles Wheatstone dieses Prinzip, wobei sich die Variante von Wheatstone als die später großtechnisch bedeutendere erwies.^[3]

Erste Mehrphasenwechselstromgeneratoren

Im Rahmen der Frankfurter internationalen Elektrotechnischen Ausstellung wurden 1891 Wechselstrommaschinen vorgeführt, die speziell zur Erzeugung von Mehrphasenwechselstrom gebaut wurden. Den ersten dieser Generatoren hatte bereits Friedrich August Haselwander im Jahre 1887 gebaut. Dieser lieferte bereits Dreiphasenwechselstrom. Der Amerikaner Charles Bradley erwarb schon anfangs 1897 ein Patent für einen Zweiphasenwechselstromgenerator. Weiterhin wurde eine Wechselstrommaschine der Firma Schuckert und ein Generator von Brown, Boveri & Cie. (siehe Galerie) vorgestellt.

Erste großtechnische Kraftwerke

In der Folgezeit wurden zahlreiche Kraftwerke gebaut, die ihre Energie teils aus Wasserkraft, teils aus Dampf bezogen. Im/Am Niagara ging 1895 das erste Großkraftwerk der Welt ans Netz, und bereits 1898 folgen die Kraftübertragungswerke Rheinfelden in Europa als Flusskraftwerk. Ein Dampfkraftwerk brachte das Elektrizitätswerk Budapest bereits 1895 ans Netz.

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  Erste bekannt gewordene magneto-elektrische Wechselstrommaschine, gebaut 1832 von Hippolyte Pixii

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  Wechselstromgenerator der Gesellschaft Alliance nach einer Anregung von Professor Nollet (Brüssel) aus dem Jahr 1849

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  Zeichnung eines Drehstromgenerators aus dem Jahre 1891 nach Charles Eugene Lancelot Brown (Brown, Boveri & Cie.)

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  Zeitgenössischer Holzstich des Generatorraums im ersten Drehstromkraftwerk in Lauffen am Neckar, das für die Elektrotechnische Ausstellung in Frankfurt am 12. September 1891 einen künstlichen Wasserfall und tausend Glühlampen versorgte. Diese Entwicklung von C. E. Brown wurde noch von der Maschinenfabrik Oerlikon hergestellt.

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  Dampfmaschinenbetriebener Zweiphasenstromgenerator mit Ringanker für das Elektrizitätswerk Budapest 1895

Einzelnachweise

1. ↑ Schüttelakku: AA- und AAA-Akku schüttelnd aufladen – Artikel bei Golem.de, vom 19. Juli 2010
2. ↑ http://www.derwesten.de/staedte/muelheim/Abschied-von-900-Tonnen-id1284260.html
3. ↑ Deutsches Museum: Die Dynamomaschine von Werner Siemens, Entdeckungsgeschichte

Siehe auch

• Außenpolgenerator
• Innenpolgenerator
• Hauptschlussgenerator (Reihenschlussgenerator)
• Nebenschlussgenerator
• Doppelschlussgenerator (Compoundgenerator)
• Fahrraddynamo
• Van-de-Graaff-Generator
• Kaskadenmaschine
• Unipolarmaschine
• Elektromotor
• magnetohydrodynamischer Generator

Literatur

• Ansgar Christ: Motoren, Generatoren, Transformatoren: Arbeitsheft. Verlag H. Stam, Köln 1999, ISBN 3-8237-3414-8.
• Günter Franz: Rotierende elektrische Maschinen: Generatoren, Motoren, Umformer. 8., unveränderte Auflage. Verlag Technik, Berlin 1990, ISBN 3-341-00143-3.
• Reinhard Mayer: Generatoren und Starter. Robert Bosch GmbH, Stuttgart 2002, ISBN 3-7782-2028-4.
• Friedrich Niethammer: Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom-Erzeuger. Verlag S. Hirzel, Leipzig 1906, 460 Seiten (748 Abbildungen).

Weblinks

 Commons: Elektrische Generatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Animiertes Modell zum Prinzip des Generators, www.walter-fendt.de
• Kurze Übersicht am Ende des Dokuments (Geschichte – Arten – Induktionsgesetz), www.hellfirez.de