Wirkungsweise
 Veranschaulichung der Lorentzkraft |
 Schematischer Aufbau eines vierpoligen Wechselstromgenerators |
 Drehzahlregulator an einem dampfmaschinenbetriebenen Generator (ca. 1900) |
 Mehrpoliger Drehstrom-Generator im Kraftwerk Heimbach |
 Synchron-Generator von 1920 mit 2.000 kVA |
Allen elektrischen Generatoren 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 bzw. eine Elektrische Spannung zwischen den Enden des Leiters. Um die Spannung zu erhöhen, werden mehrere in Form einer Spule in Reihe geschaltete Leiter verwendet.
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 bzw. Leiterwicklungen des Stators durch die Lorentzkraft elektrische Spannung induziert.
Bei Gleichstromgeneratoren wird der Strom im Rotor (Läufer) induziert, die Feldspule bzw. 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:
ist die erzeugte elektrische Leistung, ist die zugeführte mechanische Leistung, ist die Verlustleistung.
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
Um im Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Synchrongenerator eine sinusförmige Spannung zu erzeugen, muss der
Rotor ein möglichst homogenes Magnetfelde erzeugen. Er trägt hierzu neben der Feldspule
Polschuh 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 nun steigende Drehzahl der antreibenden Dampf- oder Gasturbine zu übermäßigen
Fliehkräften in den Ankerwicklungen führt.
Der
Rotor bei
Kurzschlussläufer- bzw.
Asynchron-Generatoren benötigt keine Stromzuführung, bei Synchrongeneratoren erfolgt die Stromzuführung über Schleifringe.
Durch Hilfsgeneratoren auf der gleichen Welle kann auch bei Synchrongeneratoren auf Schleifringe verzichtet werden.
Die eigentlichen 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 bzw. magnetischer Rückschluss, um das magnetische Wechselfeld in den Wicklungen zu konzentrieren.
Gleichstromgeneratoren benötigen einen Kommutatornn (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 Gleichrichter eingesetzt (z.B. 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 Kraftfahrzeugn und am Fahrrad Synchronmaschine sind.
Nur Synchronmaschinen sind in der Lage, neben der Wirkleistung auch die in Kraftwerken kontrolliert erforderliche Blindleistung zur Verfügung zu stellen.
Großtechnische Generatoren
Großtechnische Generatoren 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 Blechlamellen aufgebaut. Bei Großgeneratoren werden diese Lamellen aus nicht kornorientiertem Elektroband, früher auch
Elektroblech genannt, hergestellt, seltener auch aus kornorientiertem Elektroband. Der drehbare Teil des Generators besteht aus den Lagern und dem eigentlichen Rotor. Dem Rotor wird über die Welle mechanische Leistung zugeführt.
Der Rotor besitzt entweder eine von außen über Schleifkontakte mit Gleichstrom versorgte Erregerwicklung (Synchrongenerator) oder ist als Käfigläufer ausgeführt (Asynchrongenerator). Generatoren zum Einsatz in Kraftwerken haben meist bürstenlose Erregereinrichtungen. Bei diesen erzeugt ein kleiner Hilfsgenerator auf der Rotorwelle den benötigten Erregerstrom.
In jeder Phase der Statorwicklung (Induktionsspulen) wird durch Induktion eine Wechselspannung erzeugt. Durch den Versatz der Statorspulen um jeweils 120 Grad wird, unabhängig von der Polpaarzahl bzw. Drehzahl, dreiphasiger Drehstrome erzeugt. Die heute verwendeten Großgeneratoren für Kraftwerk sind beinahe ausnahmslos Drehstromgeneratoren für eine Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz (landesspezifisch).
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.
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.
Je nach Höhe ihrer magnetischen Erregung geben Großgeneratoren reine Wirkleistung ab oder liefern zusätzlich Blindleistung ins Stromnetz, die zur Kompensation induktiver und kapazitiver Verbrauchern benötigt wird.
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 liegt daher bei 50 Hz/3 = 162/3 Hz.
Der magnetische Fluss innerhalb dieser Generatoren ist gegenüber dem Fluss in 50-Hz-Maschinen bei gleicher Leistung drei mal 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.
Der weltgrößte Generator entsteht zur Zeit für das finnische Kernkraftwerk Olkiluoto. Er wird nach seiner Fertigstellung eine Nennscheinleistung von 2.200 MVA haben.
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. Ebenfalls im Jahr 1832 wurde von Dal Negro ein schwingender Apparat zur Erzeugung konstruiert; weitere nicht rotierende Stromerzeuger wurden von
Gauss und anderen gebaut.
Erster großtechnischer Einsatz von Wechselstromgeneratoren
Der Wechselstromgenerator der Gesellschaft Alliance (siehe Galerie) nach einer Anregung von Professor
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 Permamentmagnete gelten
Werner von Siemens und der
Ungar Ányos Jedlik.
1866 entdeckte Siemens das
dynamoelektrische Prinzip und baute eine erste Dynamomaschine und bereits 6 Jahre vor ihm Ányos Jedlik, dessen Erfindungen aber weitgehend unbekannt blieben.
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. In
Niagara (USA) ging 1895 das erste Großkraftwerk der Welt ans Netz, bereits 1898 folgen die Kraftübertragungswerke Rheinfelden in Europa als Flusskraftwerk. Ein Dampfkraftwerk brachte das Elektrizitätswerk Budapest bereits 1895 ans Netz (siehe Galerie).
Bild:Wechselstromerzeuger.jpg|Erste bekannt gewordene magneto-elektrische Wechselstrommaschine, gebaut 1832 von Hippolyte Pixii
Bild:Industriegenerator.jpg|Wechselstromgenerator der Gesellschaft Alliance nach einer Anregung von Professor Nollet (Brüssel) aus dem Jahr 1849
Bild:Wechselstromgenerator.jpg|Zeichnung eines Drehstromgenerators aus dem Jahr 1891 nach C. E. Brown (Brown, Boveri & Cie;)
Bild:Lauffen-Frankfurt_1891e.jpg|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 1000 Glühlampen versorgte. Diese Entwicklung von C.E. Brown wurde noch von der Maschinenfabrik Oerlikon hergestellt.
Bild:Generatorhalle.jpg|Dampfmaschinenbetriebener Zweiphasenstromgenerator mit Ringanker für das Elektrizitätswerk Budapest 1895
Siehe auch
Literatur
- Christ: Motoren, Generatoren, Transformatoren, 1999, ISBN 3823734148
- Günter Franz: Rotierende elektrische Maschinen: Generatoren, Motoren, Umformer, 1990, ISBN 3341001433
- Reinhard Mayer: Generatoren und Starter, 2002, ISBN 3778220284
- F. Niethammer: Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom-Erzeuger, Verlag S. Hirzel, Leipzig 1906
Weblinks
Elektrisk generator
Generaattori
Générateur électrique
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