Dreiphasenwechselstrom
Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Dreh- oder Kraftstrom) ist ein Begriff aus der Elektrotechnik und bezeichnet ein System von miteinander verketteten elektrischen Wechselströmen.
Werden in einem Generator drei um jeweils 120° im Kreis versetzt angeordnete Spulen einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt, so entsteht in den Spulen durch Induktion fortlaufend eine Wechselspannung, die zeitlich um jeweils eine Drittelperiode (oder 120° bei einem Kreisumlauf) gegenüber den anderen Spulenspannungen versetzt ist.
Drehstromnetze
Ein Drehstromnetz ist ein Stromnetz, in dem Drehstrom verwendet wird. Da man Drehstrom gut transformieren kann und Drehstrommotoren klein, kompakt und wartungsarm sind, sind heute alle öffentlichen Stromnetze Drehstromnetze.
In Drehstromnetzen wird meist der Mittelpunktsleiter geerdet. Hierbei werden im Niederspannungsbereich Vierleitersysteme, für Spannungen über 1000 Volt Dreileitersysteme verwendet. Im Niederspannungsbereich und in Höchstspannungsnetzen ist der Mittelpunkt starr geerdet, in Mittel- und Hochspannungsnetzen ist dieser häufig induktiv über eine Erdschlusslöschspule geerdet.
Bei mit Drehstrom betriebenen Bahnen wird meist eine Phase geerdet.
Dreileiter-System
Diese drei Wechselstrom-Phasen lassen sich jeweils einzeln zur Versorgung elektrischer Verbraucher nutzen. Wenn die Belastung aller drei Phasen gleich groß ist („symmetrische Belastung“), dann ist die geometrische Summe (siehe Vektorrechnung) der Ströme in den einzelnen Phasen zu jedem Zeitpunkt gleich Null. Daher lassen sich für solche Bedingungen die Generatorspulen an ihrem einen Ende zu einem „Sternpunkt“ oder Mittelpunkt zusammenschalten. Dieser Sternpunkt ersetzt die Rückleitung. Die elektrischen Verbraucher müssen in diesem Falle mit ihrem Rückleitungs-Ende ebenfalls zu einem Sternpunkt zusammengeschlossen werden. Durch dieses so entstandene Dreileiter-System lässt sich ein elektrisches Energieübertragungsnetz besonders ökonomisch aufstellen.
Bei Motorantrieben lässt sich mit dem Drehstromsystem durch seine Phasenverschiebung ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen, welches einen einfach gestalteten Rotor zum Drehen bringen kann, siehe Drehstrom-Asynchronmaschine. In der Bauweise sind Drehstrommotoren besonders einfach und sehr leistungsfähig.
Aufsplittung des Dreileiter-Dreiphasen-Systems
Durch Aufsplittung des Dreileiter-Dreiphasen-Systems in drei getrennte Kreise mit Hin- und Rückleitung läßt sich die Versorgung mit einfachem Einphasenwechselstrom von 230 Volt (früher 220 Volt) für Haushalte und Kleinverbraucher bereitstellen.
Diese Merkmale machen den Dreiphasenwechselstrom zur wichtigsten und wirtschaftlichsten Stromart.
Das reine Dreileiter-System wird nur dann verwendet, wenn die exakt symmetrische Belastung annähernd erreicht werden kann, wie z.B. in Hochspannungs-Fernleitungs-Netzen.
Dreiphasen-Fünf-Leiter-System
Beim Endverbraucher von Stromnetzen und bei Aufsplittung in Einphasenwechselstrom-Leitungen ist jedoch eine gleichmäßig verteilte Entnahme nicht mehr gewährleistet. Hier wird dem Dreileiternetz ein zusätzlicher Ausgleichsleiter (Null-Leiter oder Neutralleiter „N“) zugefügt, über den die meist geringen Ausgleichsströme zum Sternpunkt des Versorgungssystems zurückfließen. Zusammen mit dem Schutzleiter„PE“ (Farbe in einer fünfadrigen Leitung Grün-Gelb) ergibt sich dann ein "Dreiphasen-Fünf-Leiter-System".
Einphasenwechselstrom
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Einphasenwechselstrom-Anschlüsse können aus dem Dreiphasen-System herausgeleitet werden, indem einer der drei Phasenleiter und eine an den
„Mp“-Rückleiter (Mittelpol) angeschlossene Leitung benutzt wird. Die letztgenannte MP-Leitung ist gewöhnlich in der Farbe Blau ummantelt. Ein Vorteil der Nutzung von Drehstrom für mehrere Wechselstromverbraucher ist, dass nur 4 Strom führende Leiter (statt 6 in getrennten Wechselstrometzen) benötigt werden.
Vorteile der Drehstromsysteme
Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes
Dreiphasenwechselstrom bietet als Stromsystem im Gegensatz zu Einphasenwechselstrom und Gleichstrom die Möglichkeit, mit Hilfe einer so genannten Drehstromwicklung verhältnismäßig einfach ein sich drehendes Magnetfeld (Drehfeld) zu erzeugen. Derartige Drehfeldmotoren sind einfach im Aufbau, robust, betriebssicher, wartungsfrei und wirtschaftlich.
Leitungen und Verluste bei der Energieübertragung
Zur Übertragung einer Gleichspannung und Einphasenwechselspannung werden zwei Leitungen benötigt. Sollen drei unverkettete Wechselspannungen übertragen werden, sind sechs Leitungen erforderlich. Verkettet man drei Stränge eines dreiphasen- Wechselspannungssystems zu einer Stern- oder Dreieckschaltung, genügen zur Energieübertragung drei bzw. vier Leitungen. Die Verkettung der Stränge zu einem gemeinsamen Dreiphasenwechselspannungssystem ermöglicht also die Einsparung von drei bzw. zwei Übertragungsleitungen und damit die Verringerung der Kosten für das Leitungs- und Isolationsmaterial um bis zu 50%. Außerdem werden bei symmetrischer Belastung die Verluste auf die Hälfte reduziert. Dies geschieht, weil die Summe der Augenblickswerte der drei Außenleiterspannungen null ist und so der Sternpunktleiter auch weggelassen werden kann.
Transformierbarkeit der Spannungen
Während drei Einphasen-Transformatoren drei Eisenkerne mit mindestens sechs Schenkeln erfordern, genügt bei einen Drehstrom-Transformator ein Eisenkern mit drei Schenkeln. Durch die Verkettung der magnetischen Flüsse der drei Strangströme lassen sich drei Schenkel einsparen. Neben der Einsparung von aktivem Eisen hat ein Drehstromtransformator auch geringere Eisenverluste als drei Einphasen-Transformatoren mit gleicher Gesamtleistung.
Spannungen verschiedener Höhe
In einem Gleichstrom- und einem Einphasenwechselstromnetz mit zwei Netzleitern steht dem Verbraucher bei direktem Anschluss lediglich eine einzige Spannung zur Verfügung. Dagegen bietet sich in einem Vierleiter- Drehstromnetz die Möglichkeit des Anschlusses an zwei verschieden hohe Spannungen. Die Spannungen zwischen den einzelnen Außenleitern ist um den Faktor 1,73 größer (400V) als die zwischen den Außenleitern und dem Neutralleiter (230V).
Siehe auch
Weblink
- Simulationsprogramme (DOS) zum download
- von-grambusch.de "Fachtheorie" und "Der Drehstrom" anklicken
- Der Dreh mit dem Drehstrom