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Elektrischer Generator

Ein elektrischer Generator (zu lateinisch generare ‚hervorholen‘, ‚erzeugen‘) ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie in elektrische Energie wandelt. Der Generator ist das Gegenstück zum Elektromotor, der elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt. Er beruht auf dem von Michael Faraday 1831 entdeckten Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Kurbelinduktor (Demonstrationsobjekt)

Wirkungsweise

Prinzipdarstellung

Bei allen Generatoren, die mittels elektromagnetischer Induktion arbeiten, ist das Prinzip, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln, gleich. 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. In der nebenstehenden Animation ist ausschließlich die Verschiebung des Leiters (oder der zwei relevanten Spulenabschnitte) quer senkrecht zum Magnetfeld relevant. Das wird anhand der roten Fläche veranschaulicht. Je größer die Flächenänderung pro Zeitänderung (durchlaufene Strecke des Leiters) ist, desto höher ist die Spannung. Um die Spannung zu erhöhen, werden mehrere in Form einer Spule in Reihe geschaltete Leiter verwendet.

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

Im Inneren des Generators wird der Rotor (auch Läufer genannt) gegenüber dem feststehenden Stator-Gehäuse (auch Ständer genannt) gedreht. Durch das vom Rotor mit einem Dauermagneten oder einem Elektromagneten (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 ist gleich der mechanischen Leistung abzüglich der auftretenden Verluste. Daraus folgt die Leistungsgleichung eines elektrischen Generators:

P_{{\mathrm {el}}}=P_{{\mathrm {mech}}}-P_{{\mathrm v}}

P_{{\mathrm {el}}} ist die erzeugte elektrische Leistung, P_{{\mathrm {mech}}} ist die zugeführte mechanische Leistung, P_{{\mathrm v}} ist die Verlustleistung infolge von mechanischer Reibung, Kupferverlusten und Eisenverlusten.

Die entnommene Spannung kann über die Stärke des Erregerfelds gesteuert werden, wenn dieses durch einen Elektromagneten (elektrische Erregung, Fremderregung) erzeugt wird. Diese Steuerungsmethode wird nicht nur in Kraftwerken, sondern z.B. auch in Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen angewendet (Lichtmaschinenregler).

Aufbau

Schematischer Aufbau eines vierpoligen Wechselstromgenerators

Drehgenerator

Mini-Generator in einer Dynamotaschenlampe

Um im Wechselstrom- oder Drehstrom-Synchrongenerator eine sinusförmige Spannung zu erzeugen, muss der Rotor ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugen. Er trägt dafür neben der Feldspule auch 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 Permanentmagnet-erregten Generatoren, 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 im Läufer generierten Spannung. Da bei ihnen die gesamte erzeugte elektrische Leistung über den Kommutator übertragen werden muss, sind sie heute nicht mehr gebräuchlich. Zum Erhalt einer Gleichspannung werden üblicherweise Wechselstromgeneratoren mit nachgeschalteten Gleichrichtern eingesetzt, so beispielsweise beim 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 dafür 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

Ein Lineargenerator ist eine Bauform von Generator, der eine geradlinige, nicht an einer Drehachse anfallende Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Es gibt verschiedenartige Bauformen von Lineargeneratoren.

Eine spezielle Bauform für kleine Leistungen ist der Induktions- oder Schüttel-Generator, welcher in einer sehr einfachen Bauart ähnlich wie ein Verbrennungsmotor, der Stelzer-Motor, realisiert werden kann. Auf beiden Seiten befindet sich je eine Spule in die durch die Bewegung ein Magnet eintaucht. Die Frequenz der erzeugten Wechselspannung ist abhängig von der mechanischen Schwingung und schwankt lastabhängig.

Ein spezielles Anwendungsbeispiel für diese Technik sind die Schüttel-Taschenlampen. Durch die Schüttelbewegung bewegt sich ein starker Neodym-Magnet durch eine Spule. Die erzeugte Leistung ist ausreichend, um einen Doppelschicht-Kondensator, mit einer Kapazität von 1 bis 2 F und bei einer Spannung von 3 bis 4 V, zu laden, der dann LED-Leuchtmittel mit elektrischer Energie versorgen kann. Ein weiteres Anwendungsbeispiel für diese Bauform sind mobile Ladegeräte um damit kleinere Akkumulatoren in den Bauformen wie dem AA- oder AAA-Format zu laden.

Kraftwerksgeneratoren

Kraftwerke verwenden zumeist Drehstrom-Synchronmaschinen, die meist als Innenpolmaschine ausgeführt sind. Sie bestehen aus:

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 Kraftwerken zum Einsatz kommen, werden als Turbogeneratoren oder Vollpolmaschinen 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 Großkraftwerken keine Bedeutung. Sie werden teilweise in Dieselgeneratoren, Kleinwasserkraftwerken und Windkraftanlagen (weltweit 90 %) eingesetzt. Sie stellen prinzipiell eine induktive Blindlast dar.

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 Umformerwerk. Heute wird Bahnstrom zum Teil auch in Umrichterwerken 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.

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 Permanentmagneten auf der Drehachse durch Unipolarinduktion einen Gleichstrom erzeugt. Ebenfalls im Jahr 1832 wurde von Salvatore 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.

Einphasengenerator, zur Erzeugung von elektrischen Wechselstrom (das heißt der periodisch die Richtung ändert) mittels eines Permanentmagneten, der sich nahe einer Spule dreht.

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 das 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. 1878 installierte etwa Schuckert & Co. die Bogenlampen in der Venusgrotte von Schloss Linderhof; durch die 24 von einer Dampfmaschine angetriebenen Generatoren entstand das erste fest installierte Kraftwerk der Welt und zugleich das erste Wärmekraftwerk.

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 Anfang 1897 ein Patent für einen Zweiphasenwechselstromgenerator. Weiterhin wurde eine Wechselstrommaschine der Firma Schuckert und ein Generator von Brown, Boveri & Cie. (siehe Galerie) vorgestellt. Das erste Zweiphasen-Kraftwerk der k.u.k.-Monarchie wurde von Franz Pichler gebaut und ging 1892 in der Raabklamm bei Weiz in der Steiermark in Betrieb. Dieser Generator wurde nach einigen Jahren für Drehstrom umgewickelt und war bis 1971 in Betrieb.

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.

Siehe auch

Literatur

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Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 25.11. 2022