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Wechselstromgenerator - Referat
Vortrag über den Wechselstromgenerator
Allgemein
Generatoren sind Geräte für die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie durch elektromagnetische Vorgänge. Eine Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt nennt man Generator. Im Gegensatz dazu wandelt der Elektromotor elektrische Energie in mechanische Energie um.
Wirkungsgrundlage
Der Wirkungsweise von Generatoren liegen zwei verwandte physikalische Prozesse zugrunde. Beim ersten Prinzip handelt es sich um die elektromagnetische Induktion, die erstmals Michael Faraday 1831 nachweisen konnte. Wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird, induziert (erzeugt) dieser Vorgang eine elektrische Spannung in dem Leiter. Den umgekehrten Fall, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflusst, konnte André Marie Ampère im Jahr 1820 erstmals beobachten..
Aufbau
Wie ich eben erwähnt habe, erzeugt ein einfacher Generator ohne Kollektor einen elektrischen Strom, dessen Richtung sich mit der Drehung des Ankers ändert. Da Wechselstrom Vorteile bei der Übertragung von elektrischer Energie hat, erzeugen die meisten großen Generatoren Wechselstrom. Die einfachste Form des Wechselstromgenerators unterscheidet sich von einem Gleichstromgenerator nur in zwei Punkten: die Ankerwicklungen enden in durchgehenden Ringen an der Welle des Generators und nicht an einem Kollektor, und die Feldspulen werden von einer externen Gleichstromquelle und nicht vom Generator selbst mit Strom versorgt. Langsam laufende Wechselstromgeneratoren haben bis zu 100 Pole, wodurch ihr Wirkungsgrad gesteigert wird und die gewünschte Frequenz leichter erzielt werden kann. Wechselstromgeneratoren, die von Hochgeschwindigkeitsturbinen angetrieben werden, sind häufig mit zwei Polen ausgestattet. Die Frequenz des von Wechselstromgeneratoren erzeugten Stromes ist die Hälfte des Produkts aus der Anzahl der Pole und der Anzahl der Umdrehungen des Ankers pro Sekunde. Vorteilhaft ist die Induktion einer möglichst hohen Spannung. Umlaufende Anker sind für solche Anwendungen wenig geeignet, da es an den Bürsten zu Funkenbildung kommen kann und mechanische Defekte zu Kurzschlüssen führen können. Wechselstromgeneratoren haben daher einen feststehenden Anker, in dem sich ein Rotor mit Feldmagneten dreht.
Innen- und Außenpolmaschinen
Das Magnetfeld eines Dauermagneten reicht nur für den Betrieb eines kleinen Dynamos oder Motors aus. Deshalb werden für große Maschinen Elektromagneten anstelle von Dauermagneten verwendet. Man nennt solche Generatoren Innenpolmaschinen. Bei technischen Generatoren werden Spannungen von 20kV induziert, dabei fließen Ströme von 10.000 A. Diese Ströme werden bei Innenpolmaschinen von den feststehenden Induktionsspulen ohne Schleifringe abgenommen. Über Schleifringe werden nur die viel kleineren Ströme für die Elektromagneten zugeführt. Befinden sich die Magentpole außen im Stator und rotiert die Induktionsspule, so liegt eine Außenpolmaschine vor.
Der induzierte Strom in Wechselstromgeneratoren steigt auf einen Spitzenwert, sinkt auf Null, fällt auf einen negativen Spitzenwert und steigt wieder auf Null. Dieser Wechsel erfolgt, je nach der Frequenz, für die der Generator ausgelegt ist, mehrmals pro Sekunde. Vorteilhaft hat sich die Frequenz von 50 Hz erwießen, da sich Nutzen und Verschleiß in einem annehmbaren Verhältnis zueinander bewegen. Man bezeichnet solch einen Strom als einphasigen Wechselstrom. Besitzt der Anker zwei Wicklungen, die im rechten Winkel zueinander stehen und zwei getrennte Anschlüsse haben, werden zwei Wechselströme erzeugt, die jeweils dann ihr Maximum erreichen, wenn der andere seinen Nulldurchgang hat. Dieser Strom wird als Zweiphasenwechselstrom bezeichnet. Wenn der Anker drei Wicklungen hat, die in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen, wird ein Strom erzeugt, der einer dreifachen Welle entspricht. Dieser Strom wird als Dreiphasenwechselstrom oder Drehstrom bezeichnet. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Ankerwicklungen erhält man eine größere Anzahl von Phasen. Der heute am häufigsten verwendete Generator ist der Drehstromgenerator. Er wird normalerweise für die Erzeugung von elektrischem Strom verwendet.
Der erste Generator
Der erste Generator wurde bereits 1832 von dem Franzosen Pixii gebaut. Ein Hufeisenmagnet rotierte vor zwei hintereinander geschalteten Spulen. Das von den Spulen umfasste Magnetfeld änderte sich und so es wurde eine Wechselspannung induziert. Man war damals aber nicht an Wechselstrom interessiert. Deshalb baute man einen Kommutator ein, welcher aus Wechsel- Gleichstrom machte. Dessen Prinzip ist heute noch in Gleichstromgeneratoren enthalten, nämlich die Kollektoren mit den Kohlebürsten.
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