Elektromotoren und Generatoren
Referat
Elektromotoren und Generatoren, allgemeine
Bezeichnung für elektrische Maschinen, mit denen sich elektrische
Energie in
mechanische Energie bzw. umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie
umwandeln läßt. Ein Generator wandelt mit Hilfe elektromagnetischer
Induktion
mechanische Energie in elektrische Energie um. Im Gegensatz dazu läuft in
einem Elektromotor der umgekehrte Prozeß ab.
Der Wirkungsweise von Elektromotoren und Generatoren
liegen zwei verwandte physikalische Vorgänge zugrunde. Im Fall des
Generators handelt es sich um die elektromagnetische
Induktion,
die erstmals Michael
Faraday 1831 experimentell nachweisen konnte. Wenn ein
Leiter durch
ein
Magnetfeld
bewegt wird, induziert (erzeugt) dieser Vorgang eine
elektrische
Spannung in dem Leiter. Den genau umgekehrten Fall,
daß ein elektrischer
Strom ein Magnetfeld beeinflußt, konnte
André Marie
Ampère im Jahr 1820 erstmals beobachten –
Ampère untersuchte dabei die Ablenkung einer Magnetnadel durch
elektrischen Strom. Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld
und wird dieser zusätzlich von einem elektrischen Strom durchflossen,
übt das Magnetfeld eine mechanische
Kraft auf den
Leiter aus.
Eine einfache elektrische Maschine ist beispielsweise
der so genannte Scheibendynamo von Faraday. Er besteht im wesentlichen aus einer
Kupferscheibe,
die so montiert ist, daß sich ein Teil der Scheibe von Mittelpunkt bis zum
Rand zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten befindet. Wenn die Scheibe in
Drehung versetzt wird, entsteht durch die Wirkung des Magnetfeldes zwischen dem
Mittelpunkt und dem Rand der Scheibe ein elektrischer Strom (siehe
Induktion).
In diesem Falle arbeitet die Apparatur nach dem Prinzip eines Generators. Auch
der umgekehrte Fall ist mit dem Scheibendynamo möglich. Dazu legt man
zwischen dem Rand und dem Mittelpunkt der Scheibe eine elektrische Spannung an,
wobei sich die Scheibe aufgrund der induzierten Kraft dreht.
Das Magnetfeld eines Dauermagneten reicht nur für
den Betrieb eines kleinen Dynamos (siehe
Werner von
Siemens) oder Motors aus. Deshalb werden für
große Maschinen
Elektromagneten
verwendet. Sowohl Motoren als auch Generatoren bestehen aus zwei grundlegenden
Einheiten: zum einen aus dem Elektromagneten mit seinen Spulen und zum anderen
aus dem Anker, der die Leiter trägt. Letztere schneiden das Magnetfeld und
erzeugen praktisch bei einem Generator den induzierten Strom bzw. bei einem
Motor den Antriebsstrom. Der Ankerkern besteht meist aus
Weicheisen,
um den
Leitungsdrähte
in Form einer Spule gewickelt sind.
Gleichstromgeneratoren
Dreht sich der Anker des Generators zwischen zwei
stationären Feldpolen, fließt der
elektrische
Strom im Anker eine halbe Umdrehung lang in eine
Richtung und eine halbe Umdrehung lang in die entgegengesetzte Richtung. Um
Gleichstrom zu erhalten, ist eine Vorrichtung außerhalb des Generators
erforderlich, welche die Stromrichtung umkehrt und praktisch nur eine
Fließrichtung zuläßt. Diese Umkehrung ermöglicht der so
genannte Kollektor (Stromwender oder Kommutator).
In der primitivsten Ausführung besteht der
Kollektor eines Gleichstromgenerator aus einem gespaltenen
Metallring,
der auf der Welle des Ankers montiert ist. Die beiden Hälften des Ringes
sind voneinander getrennt und bilden die Enden der Ankerspule. Feststehende
Metall- oder
Kohlebürsten
werden gegen den rotierenden Kollektor gedrückt und stellen den
elektrischen Kontakt der Spule zu den
Drähten
außerhalb des Generators dar. Bei der Umdrehung des Ankers haben die
Bürsten abwechselnd mit den Hälften des Kollektors Kontakt. In dem
Augenblick, in dem der Strom in der Ankerspule seine Richtung ändert,
tauschen auch die Kollektorhälften ihre Position. Daher fließt in dem
Stromkreis,
mit dem der Generator verbunden ist, ein Gleichstrom. Gleichstromgeneratoren
werden meist mit ziemlich niedrigen Spannungen betrieben, um die Funkenbildung
zwischen Bürsten und Kollektor zu vermeiden. Die höchste Spannung, die
von solchen Generatoren erzeugt wird, beträgt meist
1 000 Volt.
Heutzutage besitzen Generatoren zur Gleichrichtung leistungsstärkere
Vorrichtungen wie z. B.
Diodengleichrichter.
Moderne Gleichstromgeneratoren besitzen
trommelförmige Anker mit vielen Wicklungen. Diese sind mit entsprechenden
Segmenten eines Mehrfachkollektors verbunden. In einem Anker mit nur einer
Drahtschleife nimmt der erzeugte
Strom leicht
zu und ab, je nachdem in welchem Teil des Magnetfeldes sich die Schleife bewegt.
Ein Kollektor mit vielen Segmenten verbindet den äußeren Stromkreis
immer mit einer Drahtschleife, die sich durch einen Bereich des Magnetfeldes
bewegt. Als Folge bleibt der von den Ankerwindungen erzeugte Strom praktisch
konstant. Die Felder moderner Generatoren besitzen zur Verstärkung des
Magnetfeldes meist vier oder mehr Pole. Kleinere Zwischenpole gleichen
Verzerrungen des Magnetfeldes aus, die durch die magnetische Wirkung des Ankers
verursacht werden.
Gleichstromgeneratoren werden häufig nach der Art
der Bereitstellung des Stromes für das Magnetfeld unterschieden. Das
Magnetfeld eines seriell gewickelten Generators steht in Reihenschaltung mit dem
Anker. Ein Nebenschlussgenerator hat ein Feld, das parallel zum Anker geschaltet
ist. So genannte Verbund- oder Doppelschlussgeneratoren haben einen Teil ihrer
Felder in Reihe und einen Teil parallel. Sowohl Nebenschluss- als auch
Verbundgeneratoren haben den Vorteil, bei unterschiedlicher elektrischer Last
eine verhältnismäßig gleichmäßige
Spannung zu
liefern. Seriell gewickelte Generatoren werden hauptsächlich zur Erzeugung
eines gleichmäßigen Stromes mit schwankender Spannung eingesetzt. (Zu
Reihen- und Parallelschaltung siehe
elektrischer
Stromkreis)
Gleichstrommotoren
Im Großen und Ganzen sind Gleichstrommotoren
ähnlich aufgebaut wie Gleichstromgeneratoren. In einem Gleichstrommotor
wird bei Stromfluss durch den Anker ein
Drehmoment
erzeugt, das den Anker in Drehbewegung versetzt. Die Funktion des Kollektors und
die Verbindung der Feldspulen des Motors sind genauso wie beim Generator. Die
Drehung des Ankers induziert eine Spannung in den Ankerwicklungen. Diese
induzierte
Spannung ist der von außen an den Anker angelegten Spannung
entgegengesetzt und wird daher auch als Gegenspannung bezeichnet. Sie
kann bei schneller laufendem Motor fast so groß werden, wie die angelegte
Spannung. In diesem Fall ist die Stromstärke sehr gering und der Motor
läuft mit konstanter
Geschwindigkeit.
Im Lastbetrieb wird der Anker langsamer. Als Folge nimmt die Gegenspannung ab
und der Stromfluss durch den Anker zu. Dadurch ist der Motor in der Lage, mehr
Leistung
aufzunehmen und mehr mechanische
Arbeit zu
verrichten.
Weil die Rotationsgeschwindigkeit die Stromstärke
im Anker steuert, sind zum Starten eines Gleichstrommotors spezielle
Vorrichtungen erforderlich. Wird bei stillstehendem Anker die normale
Arbeitsspannung angelegt, fließt ein sehr starker Strom, der den Kollektor
und die Ankerwicklungen beschädigen kann. Zur Vermeidung solcher
Schäden wird meist ein
Widerstand
vor den Anker geschaltet – der so genannte Vorwiderstand. Dieser reduziert
die Stromstärke bis der Motor eine ausreichende Gegenspannung aufgebaut
hat. Während der
Beschleunigungsphase
wird die Wirkung des Vorwiderstandes langsam verkleinert. Diese Verringerung
kann entweder von Hand oder automatisch erfolgen.
Die Geschwindigkeit, mit welcher der Gleichstrommotor
läuft, hängt von der Stärke des auf den Anker wirkenden
Magnetfeldes und von der Stromstärke im Anker ab. Je stärker das
Magnetfeld, desto geringer die
Drehzahl, mit
der die Gegenspannung erzeugt wird.
Wechselstromgeneratoren
Wie oben beschrieben 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 (Siehe auch
elektrischer
Stromkreis). Wechselstromgeneratoren haben daher einen
feststehenden Anker, in dem sich ein Rotor mit Feldmagneten
dreht.
Der induzierte Strom in Wechselstromgeneratoren steigt
abwechselnd auf einen positiven 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. Man bezeichnet so 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 nennt man auch
Zweiphasenwechselstrom. Besitzt der Anker drei Wicklungen, die in einem
Winkel von 120 Grad zueinander stehen, entsteht
ein Strom, der einer dreifachen Welle entspricht. Man erhält den so
genannten Dreiphasenwechselstrom – kurz auch als Drehstrom
bezeichnet. Durch weitere Anzahlzunahme der Ankerwicklungen lassen sich weitere
Phasen erzielen.
Der heute am häufigsten verwendete Generator ist
der Drehstromgenerator. Er wird normalerweise für die Erzeugung von
elektrischem Strom verwendet. Die von Wechselstromgeneratoren erzeugten
Spannungen betragen üblicherweise bis zu
13 200 Volt.
Wechselstrommotoren
Für den Betrieb mit mehrphasigem
Wechselstrom
gibt es zwei Arten von Motoren: Drehstromsynchronmotoren und Induktionsmotoren
(auch Drehstromasynchronmotoren). Die Feldmagnete beim Drehstromsynchronmotor
sind auf dem Rotor montiert und werden durch Gleichstrom angeregt. Die
Ankerwicklung ist in drei Teile unterteilt und wird, wie der Name bereits
andeutet, mit Drehstrom betrieben. Die wellenförmige Änderung der drei
Ströme im Anker bewirkt eine sich ändernde magnetische Wechselwirkung
mit den Polen der Feldmagnete. Dadurch dreht sich das Feld mit einer konstanten
Geschwindigkeit,
die durch die Frequenz des Antriebsstromes bestimmt wird.
In Einsatzgebieten, wo die mechanische Last des Motors
sehr groß wird, können jedoch keine Drehstromsynchronmotoren
eingesetzt werden, da der Motor unter Last seine
Drehzahl
verringert und „aus dem Tritt kommt“. Läuft der Motor nicht
mehr im Einklang mit der Stromfrequenz, bleibt er stehen.
Drehstromsynchronmotoren können auch so ausgelegt sein, daß sie mit
einphasigem Strom laufen. Sie benötigen dann eine Vorrichtung zur Drehung
des Magnetfeldes.
Die einfachste und die verbreitetste Art eines
Drehstrommotors ist der Induktionsmotor. Der Anker (Rotor) eines solchen Motors
besteht aus drei feststehenden Spulen und ähnelt damit dem Anker eines
Drehstromsynchronmotors. Der rotierende Teil besteht aus einem Kern, in den
mehrere dicke Leiter eingelagert sind. Diese liegen in einem Kreis um die Welle
parallel zu dieser. Der Drehstrom, der durch die feststehenden Ankerwicklungen
fließt, erzeugt ein sich drehendes Magnetfeld, das wiederum einen Strom in
den Leitern des Rotors erzeugt. Die magnetische Wechselwirkung zwischen dem
rotierenden Feld und den Strom führenden Leitern des Rotors versetzt den
Rotor in eine Drehbewegung. Wenn sich der Rotor mit der gleichen Geschwindigkeit
wie das Magnetfeld dreht, wird im Rotor kein Strom induziert. Daher sollte der
Rotor nicht synchron laufen. Beim Betrieb differieren die
Umdrehungsgeschwindigkeiten von Rotor und Feld um etwa zwei bis fünf
Prozent.
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