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 ist mit einem elektrischen Motor, der umgekehrt elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt. bla bla lena is doof

Geschichte

Als Erfinder des Generators gelten Werner von Siemens und der Ungar 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 vierpoligen Generators

Synchron-Generator von 1920 mit 2.000 kVA

Bei allen elektrischen Generatoren ist das Prinzip gemeinsam, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Die mechanische Leistung wird dem Generator in Form einer der Drehung 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 dieses Prinzips durch die mechanische Welle im Innern des Generators der Rotor (häufig auch Läufer) gegenüber dem Stator (dem Gehäuse/Ständer) gedreht. Durch das vom 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 aufgebaut ist. Der Rotor muss außerdem möglichst reibungsarm im Stator gelagert werden, um die Reibungsverluste zu verringern. Ein zu vermeidender Betriebszustand ist der Lastabwurf, der ohne den Eingriff eines Reglers den Generator zerstören würde.

Großtechnische Generatoren

Großtechnische Generatoren bestehen aus einem Stator genannten massiven feststehenden Teil, der im Prinzip eine große Induktionsspule mit Eisenkern darstellt. Der drehbare Teil des Generators besteht aus den Lagern und dem eigentlichen Rotor. Dem Rotor wird über die Welle mechanische Leistung zugeführt.

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 heute verwendeten Großgeneratoren für Kraftwerke sind beinahe ausnahmslos Drehstromgeneratoren für eine Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz (landesspezifisch).

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. Generatoren mit einer Leistung von kleiner 300MVA 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.

Je nach Höhe ihrer magnetischen Erregung geben Großgeneratoren ihre reine Wirkleistung ab oder liefern zusätzlich Blindleistung ins Stromnetz, die von induktiven und kapazitiven Verbrauchern benötigt wird.

Eine Besonderheit stellen die Generatoren zur Erzeugung von Bahnstrom dar. Wegen der Sonderstellung dieser Energieform sind diese Generatoren als Wechselstrom-Synchronmaschine ausgeführt und haben wegen der Netzfrequenz von 16,7 Hz nur eine Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute. Der magnetische Fluss innerhalb dieser Generatoren ist gegenüber dem Fluss in 50 Hz-Maschinen drei mal so groß. Diese Bauart benötigt daher entsprechend größere Querschnitte aus Eisen, Bahnstromgeneratoren werden aus diesem Grunde deutlich größer gebaut als vergleichbare Generatoren. Hinzu kommt ein mit doppelter Netzfrequenz umlaufendes und pulsierendes Drehmoment auf die zugehörige Turbine. Diese Pulsation wirkt sich auch auf die Fundamente der Maschine aus; der Generator wird daher auf Federn aufgestellt. Zwischen Turbine und Generator wird aus dem gleichen Grunde eine federnde Kupplung geschaltet.

Der größte in Europa ausgeführte Generator entsteht zur Zeit im finnischen Kernkraftwerk Olkiluoto. Er wird nach seiner Fertigstellung eine Leistung von 1600 Megawatt haben.

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