Elektrischer Generator

Ein elektrischer Generator (v. lat. generare: hervorholen, erzeugen) ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie bzw. mechanische Energie in elektrische Energie wandelt und damit technisch gesehen identisch mit einem elektrischen Motor, der umgekehrt elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt.

Geschichte

Als Erfinder des Generators gelten Wilhelm von Siemens und Ányos Jedlik, wobei letzterer bereits 6 Jahre vor Siemens das dynamoelektrische Prinzip entdeckte, seine Erfindungen aber weitgehend unbekannt blieben.

Wirkungsweise

Illustration zum groben Aufbau eines zweipoligen Generators

Synchron-Generator von 1920 mit 2.000 kVA

Allen elektrischen Generatoren ist das Prinzip gemeinsam, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Die mechanische Leistung wird dem Generator in Form einer mechanischen Welle zugeführt. Die Umwandlung dieser Energie in elektrische Energie beruht im Wesentlichen auf der Lorentzkraft, die auf bewegte, elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Bewegt sich ein Leiter quer 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 bzw. elektrische Spannung zwischen den Enden des Leiters.

Im Generator wird zur Ausnutzung diese Prinzips durch die mechanische Welle im Innern des Generators der Rotor (häufig auch Läufer) gegenüber dem Stator (dem Gehäuse/Ständer) gedreht. Durch das von Stator künstlich erzeugte Magnetfeld wird in den Leitern bzw. Leiterwicklungen des Rotors durch die Lorentzkraft elektrische Spannung erzeugt.

Die erzeugte elektrische Leistung ist also quantitativ äquivalent zu der eingeführten mechanischen Leistung, abzüglich der auftretenden Verluste. Damit folgt die Leistungsgleichung eines elektrischen Generators:

 $P_{el}=P_{mech}-P_{v}$

$P_{el}$ ist die erzeugte elektrische Leistung, $P_{mech}$ ist die zugeführte mechanische Leistung, $P_{v}$ ist die Verlustleistung

Aufbau

Um die beschriebene Wirkungsweise zu gewährleisten, muss durch den Stator ein möglichst ideales Magnetfeld erzeugt werden, dass entsprechend den Anforderungen der Maschine homogen bzw. rotationssymetrisch aufgebaut ist. Der Rotor muss außerdem möglichst reibungsarm im Stator gelagert werden, um Reibungsverluste zu vermeiden bzw. zu verringern.

Die technischen Anforderungen an den Aufbau der Maschine sind Aufgabe des Maschinenbaus.

--Rotors (hier auch Polrad).

Asynchrongenerator

Großtechnische Generatoren

Großtechnische Generatoren bestehen aus einem massiven feststehenden Teil, dem Stator, der im Prinzip eine große Induktionsspule mit Eisenkern darstellt, den so genannten Lagerschildern oder Lagerböcken, die die Lager des Rotors aufnehmen, und dem Rotor. Dem Rotor wird über seine Welle mechanische Leistung, beispielsweise von einer Turbine oder einem Verbrennungsmotor, zugeführt, wodurch der Rotor auf Betriebsdrehzahl gehalten wird.

Der Rotor besitzt entweder eine von außen über Schleifkontakte mit Gleichstrom versorgte Erregerwicklung (Synchrongenerator) oder ist als Käfigläufer ausgeführt (Asynchrongenerator). In jeder Phase der 3-poligen Statorwicklung (Induktionsspulen) wird durch Induktion eine Wechselspannung erzeugt. Durch den Versatz der Statorspulen um jeweils um 120 Grad wird, unabhängig von der Polpaarzahl bzw. Drehzahl, dreiphasiger Drehstrom erzeugt.

Die mindestens 3 Strangspulen des Stators sind entweder in Stern- oder Dreieckschaltung betreibbar. Sind die Statorspulen zu einem Stern zusammengeschaltet, dann addieren sich die von jeweils 2 verketteten Strängen stammenden Strangspannungen geometrisch, wodurch der Generator eine höhere Spannung zur Verfügung stellt. Bei der Dreieckschaltung sind die drei Statorspulen in Form eines Dreiecks verschaltet, an jedem der drei Verbindungspunkte der Spulen wird eine der drei Phasen des erzeugten Drehstroms abgenommen. Nunmehr ist die Generatorspannung um den Faktor $1/{\sqrt {3}}\approx 0,58$ niedriger. Die heute verwendeten Großgeneratoren für Kraftwerke sind beinahe ausnahmslos Drehstromgeneratoren für eine Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz (landesspezifisch). Eine Ausnahme bilden die Generatoren für den Fahrstrom der Bahn, die Wechselstrom mit 16 2/3 Hz erzeugen.

Siehe auch

Literatur

Christ, "Motoren, Generatoren, Transformatoren", 1999, ISBN 3823734148
Günter Franz, "Rotierende elektrische Maschinen : Generatoren, Motoren, Umformer", 1990, ISBN 3341001433
Reinhard Mayer, "Generatoren und Starter", 2002, ISBN 3778220284

Weblinks