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Grundlagen zum 3-Phasen Netz
Das Stromnetz ist auf Wechselstrom und Drehstrom aufgebaut und wurde in dieser Form von
Tesla erfunden. Ohne Drehstrom und Wechselstrom gäbe es die heutige Selbstverständlichkeit
und enorme Anwendungsbreite der Elektrizität nicht.
Der Drehstrom ist ein Wechselstrom mit drei Phasen (stromführenden Leitungen). Der Begriff
Drehstrom ist aus der Erzeugung abgeleitet. Dabei werden drei Spulen im 120° Abstand
rund um ein sich drehendes Magnetfeld angeordnet. Dadurch entstehen drei um 120°
phasenverschobene sinusförmige Wechselspannungen.
Abbildung 1
Abbildung 2
Abbildung 3
Abbildung 4
Die Spulen L1, L2 und L3 werden als Stränge bezeichnet. Die erzeugte Spannung an jeder
einzelnen Spule wird als Strangspannung bezeichnet. Die Strangspannung beträgt in unserem
Stromnetz 230 Volt. Die Drehzahl des Magneten beträgt 3000 Umdrehungen pro Minute (also
3000 / 60 Sekunden = 50 Umdrehungen pro Sekunde = 50 Hz). Die Drehrichtung ist nach
rechts. D.h. der Nordpol des Magneten passiert die Spulen in der Reihenfolhe L1, L2, L3. Die
Drehrichtung ist leicht durch Vertauschen von zwei beliebigen Phasen umzukehren.
Laut Abbildung 1 würde man jedoch sechs Leitungen vom Generator zur Last benötigen. Aus
diesem Grund werden die Spulen (Abbildung 3) zusammengeschaltet , damit kommt man mit
nur mehr 4 Leitungen aus. Betrachtet man das Diagramm 2, so stellt man fest das zu jedem
beliebigen Zeitpunkt die Summe der Spannungen U1, U2, U3 Null ergibt. Daher wird diese
vierte Leitung auch Null-Leiter genannt. Die Phasen werden manchmal auch als Außenleiter
bezeichnet. Zwischen den Außenleitern ergibt sich aus der Addition der Sinuskurven eine
Spannung von 400 Volt. Daher ergibt sich : Zwischen jeder Phase und dem Nulleiter
liegt 230V Wechselspannung an, zwischen zwei beliebigen Phasen liegen 400V
Wechselspannung an.
Ist die Last des Generators absolut symmetrisch (also an jeder Phase exakt die gleiche Last) so
fl ießt über den Nulleiter kein Strom. Man kann daher bei absolut symmetrischen Systemen den
Nullleiter einfach weglassen. Dies wird z.Bsp. auch bei Drehstrommotoren gemacht - diese haben
üblicherweise nur drei Anschlüsse (U,V,W) bzw. L1, L2, L3. Auch bei Hochspannungsleitungen
werden nur die drei Phasen vom Kraftwerk bis zu Ihrer Trafostation geführt.
Im Prinzip besteht kein Unterschied im Aufbau zwischen Motor und Generator.
Beim Generator ist der rotierende Magnet als Elektromagnet ausgeführt. Die Motordrehzahl
wird fi x auf 3000 Umdrehungen eingestellt damit sich eine Ausgangsfrequenz von 50 Hz ergibt
(50 Umdrehungen pro Sekunde). Über eine elektronische Steuerung (AVR = Automatic Voltage
Regulation) wird der Gleichstrom durch den Elektromagnet und damit die Ausgangsspannung
geregelt. Diese Regelung ist nicht dazu geeignet Strom in das öffentliche Netz zu liefern
(Netzparallelbetrieb). Im Netzparallelbetrieb sind andere Steuerungen notwendig um den
Generator mit dem Netz zu synchronisieren und Strom in das Netz zu liefern.
Die Steuerung kontrolliert die Ausgangsspannung der drei Phasen und regelt entsprechend
die Erregung des Rotors. Bei ungleichmässiger Belastung des Generators (z.Bsp. höhere
Last auf L1) sinkt die Spannung der entsprechenden Phase ab. Man spricht in diesem Fall
von "Schräglast". Da die Elektronik die Ausgangsspannungen der Phasen nicht unabhängig
voneinander Regeln kann, hat die höher belastete Phase eine niedrigere Spannung als 230V, die
geringer belasteten Phasen eine höhere Spannung als 230V. Sollte die Last sehr ungleichmäßig
auf die Phasen aufgeteilt sein, so kann die Steuerung den Generator abschalten um gefährliche
Unterspannungen bzw. Überspannungen auf den Phasen zu vermeiden.
Beim Motor gibt es verschiedene Ausführungen, am gebräuchlichsten ist der DAM (Drehstrom
Asynchronmaschine). Die Spulen sind beim Motor räumlich ebenfalls um 120° versetzt, damit
bildet sich im Inneren des Motors ein Magnetfeld welches mit 3000 Umdrehungen / Minute
rotiert. Die Drehrichtung dieses Feldes kann wieder durch den Austausch zweier beliebiger
Phasen umgekehrt werden. Der Rotor ist als Elektromagnet mit einigen wenigen Windungen
(dem "Käfi g") ausgelegt. Wenn der Rotor steht, so wird in dieser Spule ein sehr hoher Strom
induziert, der Rotor wird dadurch zum Elektromagnet. Damit beginnt sich der Rotor mit dem
Magnetfeld zu drehen. Nun wirkt der Motor gleichzeitig als Generator und induziert in den
Statorwicklungen eine Gegenspannung. Dadurch reduziert sich der Strom im Stator. Die
Drehzahl des Rotors erreicht ohne Belastung fast 3000 U/min - lediglich die Verluste bewirken
eine leichte
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