Wechselstrom. Was ist das?

Von Egon Dirks.

Das Einfachste und Genialste in der Elektroenergetik (Dank dem Vater des Wechselstroms – M. Faradei) ist das Gesetz der Umkehrbarkeit der Elektrischen Maschine: „Dreht man den Rotor der Maschine, entnimmt man vom Stator Elektrostrom (Generator), schaltet man den Stator zum Elektrostrom an, dreht sich der Rotor (Elektromotor)!

Es ist bekannt, dass von Genialem bis zu dem Lächerlichen es nur ein Schritt ist! So scheint war es auch beim M. Faradei, als er mit einer Metall Draht Spule und einem Natur-Magnet-Eisen manipulierte und auf einmal gemerkt hat, dass bei Bewegung des Magneten in der Spule oder der Spule gegenüber das Magneten an den Enden der Spule bildet sich eine elektrische Spannung an, aber NUR bei Bewegung Eines gegenüber das Zweite. Jetzt macht man das einfache Experiment in allen Schulen weltweit. Das genialste aber war, als er in die Spule eine einfache Eisenstange platziert hat und die Spule zum Akku eingeschaltet hat und beim Strom EIN und AUS gemerkt hat, dass die einfache Eisenstange, wirkt wie ein Natur-Magnet und sogar nach der Abschaltung, zeigt restliche magnetische Wirkungen! Das wird ELEKTROMAGNETISMUS heißen! Eine Elektro-Revolution, die den Menschen der Welt das heutige Elektro-Paradies geschenkt hat, das war vielleicht nicht so genial, wie die deutsche „Energiewende“ heute, aber doch…

Was für eine Physik dahinten steckt, kann man sich am besten vorstellen, ja, es ist doch sofort klar gewesen, das eins gegenüber das andere Bewegen mit Ziehen, Wackeln geht nicht, was wenn man drehen wird? Und da kommt wieder zur Hilfe das bekannte Experiment mit der bekannten Sinusoide, aber da muss man akkurat sein, erstens hat das mit Sinus, als Trigonometrische Funktion nichts zu tun, zweitens ist das eine Spannung, nicht Strom-Sinusoide. Dazu nimmt man ein Draht-Viereck, bei der kürzeren Seite zwei Enden, die sind zu uns gerichtet, jetzt stellt man sich vor, das dieser Draht-Rahmen wird in ein Magnetfeld reingebracht, oben Nord- unten Südpol und wird langsam gedreht, dann bei senkrechter Lage schneiden die Seiten des Vierecks die meisten und intensivsten Magnetlinien des Magnetfeldes und auf den Enden haben wir den Maximum von der (U) Spannung und wenn die Elektronen (Strom) in der oberen Seite von uns fließen, dann in der unteren Seite – zu uns; bei waagerechten Lage schneiden die Seite des Vierecks NICHT die Magnetlinien, sondern gleiten ihnen entlang deshalb auch die Spannung auf den Enden Null und bei Null, also, um die Sinusoide besser zu verstehen, betrachtet man die Bewegung nur einer Seite des Draht-Rahmens, von Null bis Max oben (90°) und nach unten zu Null (180°), dann von diesem Null zu Max UNTEN (270°), aber der Strom in dieser Seite nach 180° fließt schon in die ANDERE Richtung und weiter fällt zu Null (360°), d.h., bei einer Umdrehung des Draht-Rahmens WECHSELT die Stromspannung (U) zwei Mal seine Größe von Null bis Max und zwei Mal die Stromrichtung im Rahmen und das ist nichts anderes, als EIN-Phasen Wechselstrom-Generator. Was man dazu wissen muss, was sich dreht ist Rotor, was sich nicht dreht – Stator, aber in der Praxis kommt‘s umgekehrt, die Spule (Wicklung), die liegt im Stator, dreht sich das Elektromagnet-System –Rotor, die Höhe der Spannung (U) kommt von der Intensivität des Magnetfeldes und der Ausrichtung der Wicklung, die Letzte aber ist, wie beim Trafo, die Anzahl der Umwicklungen in einer Wicklung bestimmt die Spannung (U), z.B., bei einer Umwicklung in diesem Magnetfeld sind es 20 V, dann für einen 0,4 kV Generator hat die Wicklung 20 einzelne Umwicklungen, der G. ist 50 kW stark, dann kommt die Dicke des Drahtes der Wicklung (Cu)ins Spiel, 50 kW geteilt durch 0,4 kV das sind die Ampere, dann die ökonomische Stromdichte A/mm2 für (Cu) gibt die Dicke des Drahtes, dann kommt Klasse der Isolation – 0,4 kV, Kühlung –Luft, Frequenz – Diesel, von Gas abhängig und so weiter und so fort…

Das ist ein kleines Ding, der EIN-Phasen Wechselstrom ist schon von der Natur Drehstrom, was aber ist der DREI-Phasen-Wechsel-Strom, was wir praktisch weltweit haben? Die Anzahl der Phasen kann man beliebig viel machen, die Welt aber hat sich auf DREI festgelegt, d.h., in einem Generator oder Motor im Stator werden statt eine Wicklung DREI eingebaut und so, dass sie im Stators-Kreis Eine gegenüber der Anderen auf 120° verschoben sind und statt eine haben wir dann drei Sinusoiden, die eben 120° einender verschoben sind. Hier muss man eins wissen, drei Wicklungen haben sechs Enden und da gibt’s mehrere einender Verbindungen: die Wichtigsten sind „Stern“ und „Dreieck“, Stern-das ist, wenn alle drei Enden zusammenkommen und bilden den sogenannten „Null“, die drei Anfängen bilden die Phasen –A, B und C (mehrere Länder haben eigene Markierung X,Y,Z usw.), das Stern-Netz sind das Netz 110 kV und Höher und das Haushaltnetz 0,4 kV; Dreieck – das ist wenn der Anfang einer Wicklung mit dem Ende der zweiten Wicklung zusammenkommt und so haben wir sofort Phasen A, B und C, das ist fast komplett beim Mittelspannungshetz der Fall, beide „Stern“ und „Dreieck“ haben seine Vor- und Nachteile und ich lasse das hier weg… Auch nur paar Worte, was Frequenz (50 Hz) betrifft, Frequenz ist die Geschwindigkeit mit welcher alle Rotoren in Europa gedreht werden und ist sie 3000 U/Min. das sind 50 Hz, in den USA – 3600 U/Min. 60 Hz, bis unsere Hauptstromversorger die Stromkonzerne sind, wird es keine großflächige Blackouts wegen der „Tanz der Frequenz“ mit oder ohne Ökostromquellen geben, für Neugierige einiges darüber in Artikeln „Die Frequenz“ und „Das Reservieren“ in „Elektroenergetik“… War auch eine Frage- was Lichtmaschine beim Auto ist, das, eher wir zur Hauptthema – zu den Details „Wechselstrom. Was ist das?“ kommen. Also, die Lichtmaschine oder Dinamo genannt, das ist ein Mini-Gleichstrom-Generator, der die Batterie nachladet, Gleichstrom-Generatoren sind eine große Klasse von Elektro-Maschinen, die mit der neuen Thyristoren-Technik ihre Bedeutung bisschen verloren haben, es war Mal sogar bei Eisenbahnen ein M-G-M (Motor-Generator-Motor)-System in der Mode– auf einer Achse mit dem Asynchron Motor (Wechselstrom) sitzt ein Gleichstrom-Generator, der den Gleichstrom produziert, für den Gleichstrom-Motor, der die Räder dreht… Wenn es Mal zum Gleichstrom kommt, erkläre ich auch die Physik des Gleichstrom-Generators…

Gleichstrom-er fließt in eine Richtung, keine wechselnde Magnetfelder, bei einer Wicklung nur der Ohm’sche Wiederstand, beim Kondensator STOP, kein Durchgang und-und, bei dem Wechselstrom mit seinen wechselnden Stromrichtungen und Magnetfeldern ist alles anders, der hat, sagen wir so, keinen STOP beim Kondensator, er fließt einfach durch, bildet bloß hier seinen zusätzlichen reaktiven kapazitativen Strom; dasselbe beim Fließen durch eine Wicklung, da haben wir den zusätzlichen reaktiven induktiven Strom, das sind reale Ströme, Bewegung derselben Elektronen in denselben Verbindung Leitungen, d.h., der Wechselstrom besteht aus DREI Komponenten – der AKTIVEN und zwei reaktiven und alle drei werden gemessen und von aktiven und reaktiven Zählern abgezählt, die AKTIVE Komponente des Wechselstromes, das ist das, was vom Generator zum Verbraucher übertragen wird und beim Verbraucher die Arbeit des Stromes leistet – Licht, Mechanik, Wärme usw.; die reaktiven Komponenten, die leisten KEINE Arbeit, ABER weil sie immer dabei sind, – alle Elektro-Maschinen sind induktive Elementen, alle Netze, besonders Kabeln sind elektrische Kapazitäten, – sind sie ein Hindernis beim „Durchschieben“ des aktiven Stromes zum Verbraucher und das ist das Paradox – es gibt keinen Wechselstrom ohne die reaktiven Komponenten, sie ABER sind unerwünscht und fordern eine riesige Arbeit sie zum Minimum zu reduzieren… Nur ein Beispiel: Es ist bekannt, dass man Wechselstrom durch ein Kabel nur welche 70-80 km weit übertragen kann, weiter geht’s nicht, weil der kapazitative reaktive Strom so groß in dem Kabel ist, dass man nur mit speziellen Kompensationsmaßnahmen für den aktiven Strom, grob gesagt, Platz schaffen mus…

Jetzt aus dieser Sicht zurück zur U-Sinusoide eines Generators, egal ob er 50 kW oder 10 MW Leistungsstark ist, die aktive Komponente des Stromes hat identischen Verlauf, wie auch die U-Sinusoide, die reaktiven aber (auch Sinusoiden), die induktive, die läuft 90° der U-Sinusoide nach, die kapazitative 90° vor, das bedeutet, dass sie beide sich in der Gegenphase befinden, sie kompensieren Eine die Andere, deshalb bei Maschinen spricht man nur über induktive Komponente, obwohl die kapazitative dabei war und kompensiert wurde, beim Kabel ist es umgekehrt. Das gesamte Stromnetz mit Generatoren und allem dazu hat den induktiven Charakter und muss kompensiert werden, ist doch klar, je kleiner der Rest der induktiven Leistung (kVAr) im Netz ist, desto höher ist der Wirkungsgrad des Netzes, in vielen Ländern wird der sog. Koeffizient der Leistung des Netzes (cos „fi“) normiert und die Industrie wird gezwungen ihn zu kontrollieren, sonst folgen Strafen usw.. Also, der Rest der reaktiven Leistung im Netz wird in den Energieknoten (Stationen, Umspannwerken) von Stromkonzernen und Hochspannung-Netzbetreibern ständig gemessen und streng kontrolliert. Die Kompensation folgt normalerweise im Netz 6-10 kV, man nutz dazu Synchron Kompensatoren oder Statische Kondensatoren…

Weiter, so spontan in zwei Tagen, wie ich das geschrieben habe, fällt mir zur Frage „Wechselstrom. Was ist das?“ zuerst nichts ein, es kann sehr sein das mit Fragen noch was auftaucht, dann kann‘s weiter gehen, auf was ich aber aufmerksam machen wollte, das ist die Frage der Stromverlusten im Netz wegen EBEN diesen reaktiven Komponenten des Wechselstroms, ich stelle zurzeit mir nicht Mal vor, von welcher Seite man da anrücken kann, aber für Stromversorger, mir nach, ist es eine Überlebens wichtige Frage…

Im Ganzen ist die Physik des Wechselstroms viel interessanter und auch etwas komplizierter, in einigen Redewenden habe ich selbst so wie Zweifel ob es, sagen wir, Fluss von Elektronen ist, oder bloß ein energetischer Zustand, wie, sagen wir, Druck in der Wasser- oder Gasleitung, habe aber das irgendwann so gelernt, war ganz kurz auch selbst Physik- und Mathelehrer in der Schule und habe den Schülern auch so, ohne sie mit Formeln und Grafiken zu quellen, erklärt, um ihnen allgemeine Vorstellung „einzupflanzen“, was Wechselstrom ist, soll auch hier so sein…

17.09.17.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

*