Elektrischer Generator

Ein Generator (v. lat. generare = hervorholen, erzeugen bzw. generator = Züchter, Erzeuger; auch Dynamo genannt) ist in der Starkstromtechnik ein Gerät, das aus Bewegungsenergie elektrische Energie erzeugt. Eine Drehbewegung dreht in seinem Inneren eine Spule gegen ein Magnetfeld, das durch das dynamoelektrische Prinzip erregt werden kann, und erzeugt durch Induktion elektrische Spannung. Ist ein Verbraucher angeschlossen, so fließt elektrischer Strom. Der Begriff wird auch in der Elektronik verwendet und bezeichnet dort einen Signalgenerator.

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

Das Generatorprinzip lässt sich auf die Lorentzkraft zurückführen, die auf elektrische Ladungen in einem veränderlichen Magnetfeld wirkt. Bewegt sich ein Leiter quer zum Magnetfeld, so wirkt die Lorentzkraft auf die Ladungen im Leiter in Richtung dieses Leiters und setzt sie so in Bewegung. Diese Ladungsverschiebung äußert sich an den Enden des Leiters als elektrische Spannung.

Aufbau großtechnischer 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 stabil aufnehmen. Dem Rotor wird über eine geeigneten Wellenkupplung seine erforderliche Rotationsenergie, beispielsweise von einer Turbine oder einem Verbrennungsmotor zugeführt, die bzw. der diese auf Betriebsdrehzahl hält. Der Rotor wird über Schleifkontakte von der wellengekoppelten Gleichstrom- Erregerstrommaschine direkt versorgt. Der in jeder Phase der 3-poligen Statorwicklung (Induktionsspulen) erzeugte Induktionsstrom ist ein Wechselstrom. Die jeweils um 120°, abhängig von der Polpaarzahl bzw. Drehzahl, versetzten 3 Induktionsspulen des Stators sind sowohl in (Stern oder Dreieck) beschaltbar, so dass dadurch ein dreiphasiger Wechselstrom zur Verfügung steht. Die heute verwendeten Großgeneratoren für (Kraftwerke) sind beinahe ausnahmslos Drehstromgeneratoren, außer Bahnstromgeneratoren, die mit 16 2/3 Hz arbeiten.

Funktionsweise der Synchronmaschine

Ein Drehmoment an seiner Welle bewegt damit in seinem Inneren sternförmig auf der Welle angeordnete Elektromagnete auf einer Kreisbahn, dicht am feststehenden eisernen Stator (kreisringförmiger Zylinder, gebildet aus vielen aufeinander geschichteten und gepressten Kreisringen aus dünnem Magnetblech mit Nuten u. Zähnen am Innenkreis) vorbei. Der für die magnetische Erregung der Pole erforderliche Gleichstrom wird über, mit den Magneten mitrotierenden Schleifringen und zugehörigen Kontaktbürsten, zugeführt. Der Gleichstrom selbst stammt aus einer an der Generatorwelle direkt angebauten Gleichstrommaschine. Die dabei an den Magnetpolen austretenden Magnetfeldlinien rotieren ständig im Kreise mit, und schließen sich ständig, trotz hoher Rotationsgeschwindigkeit, über den zylinderförmigen Stator vom Nord- zum Südpol. Die Magnetfeldlinien treten dabei radial vom Pol aus, durchdringen einen vorhandenen Luftspalt zwischen Magnetpol und Stator und fließen einen kurzen Weg über das Eisen des Stators, überwinden neuerlich den Luftspalt auf der Höhe des Magnetgegenpoles vom Stator außen nach innen und schließen damit den magnetischen Kreislauf. Der Stator weist an seiner Innenseite achsparallele Vertiefungen, sogen. Nuten auf, in die isolierte Wickeldrähte eingelegt und fest fixiert sind. Bei jedem Vorbeikommen eines Magnetpoles überspringen, man sagt "schneiden", dessen Magnetfeldlinien den bzw. die Drähte im rechten Winkel. Durch das dynamoelektrische Prinzip werden die im Kupferdraht (elektr. Leiter) vorhandenen Elektronen zu einem der beiden Leiterenden ab- und zusammengedrängt. Dieses Elektronen- Ungleichgewicht zwischen den Enden hat eine messbare geringe elektrische Spannung generiert, die durch Induktion entstand. Durch die abwechselnd an der in der Nut liegenden Wicklung vorbeikommenden Magnetpole (N /S /N usw.), kehrt sich jeweils die Magnetfeldrichtung und damit die Stromrichtung ständig um. Daher spricht man von Wechselstrom mit meist 50 Hz Frequenz. Je nach geforderter Spannungshöhe und System (z.B. 3-polig) wird die Anzahl der Windungen je Wicklungsnut vervielfacht (Anzahl d. Windungen). Die Wicklungsspulen sind nach einem Wicklungsplan entsprechend der Polpaarzahl und der Anzahl der Nuten systematisch verteilt, zusammengeschaltet und die Enden aus der Maschine an ein Klemmbrett herausgeführt. Wird ein Verbraucher zwischen den beiden Wicklungsenden angeschlossen, so fließt elektrischer Strom, dessen gebildetes Magnetfeld so gerichtet ist, dass es sich dem Drehmoment der vorhandenen Antriebs- Turbine entgegenzustellen versucht, je nach der augenblicklichen Größe des Verbrauchers. Die Bemessungsleistung , als eine wesentliche Konstruktionsgröße darf, wegen zu großer Erwärmung und damit Beschädigung, auf Dauer nicht wesentlich überschritten werden. Um die Rotation aufrecht zu erhalten, muss die Turbine ständig mit ihrer mechanischen Leistung, die sich ändernden Bremskräfte des Generators bei sich änderndem Stromverbrauch der Verbraucher, überwinden und benötigt daher eine ständige rasche Anpassung der Wasser- oder Treibstoffzufuhr der Antriebsturbine oder Verbrennungsmotor, um die Betriebsdrehzahl und damit die davon abhängige Frequenz (z.B. 50 Hz) möglichst konstant zu halten. Ist der Generator mit einem nationalen Verbundnetz im Parallelbetrieb verbunden, bleibt die Drehzahl konstant, jedoch ergeben sich Änderungen im sog. Phasenwinkel des Polrades und damit treten Verlagerungen von Wirk- und Blindleistungen zwischen Generator und Netz auf. Der beschriebene Generator wird als Schenkelpol- Synchrongenerator oder -maschine bezeichnet, weil er ausgeprägte Magnetpole aufweist und die magnetische Energie ( $E=(L\cdot I^{2})/2$ ) zu Erregung der Magnete selbst erzeugt. Die Drehzahlen sind passend zu Turbinen für die Wasserkraftnutzung, bei max. 1000 1/min. Aufgrund der geringeren Drehzahl gegenüber Turbogeneratoren ist auch das Verhalten bei Kurzschlüssen im Netz stark von den schnelllaufenden Turbogeneratoren geprägt, die viel mehr kinetische Energie aufweisen ( $E=(I\cdot \omega ^{2})/2$ ), abweichend.

Dimensionsgleichung für die kinetishe Wucht eines schnelllaufenden Generators mit der Bezeichnung: Vollpolmaschine. Stark vereinfachtes Beispiel soll zeigen, welche Energie im tonnenschweren Schnellläufer enthalten ist, und wieviele kWh im Rotor alleine vorhanden sind. Dass die Antriebsmaschine, meist eine Dampf- oder Gasturbine handelt, mit ihren gleichschnell rotierenden Wellen mit den Rotorblättern. Wie schon erwähnt, ist dessen Charakteristik im Falle einer Abgabe von elektrischer Energie zur Speisung einer Kurzschlussstelle, bei der es nicht selten zum Verdampfen von Leitermaterial und damit einhergehender thermischer Zerstörung, führt.

Beispiel: Ein Generator-Schnellläuferrotor von misst: 5 m Länge, bei einem Durchmesser von 1,0 m. Er ist mit einer Magnetwicklung zur Erzeugung der notwendigen magnetischen Erregung bewickelt. Vereinfachend rechnen wir mit einem massiven zylinderförmigen Rotor. Seine Drehzahl beträgt 3.000 1/min. Bei einem Netzkurzschluss, versucht jede rotierende elektrische Maschine, aus ihrer, in den rotierenden Massen gespeicherten und ebenso mit der starr verbundenen Antriebsturbine gelieferten Antriebsleistung (aus z. B. Wasserkraftnutzung sowie deren Schwungmoment, bei gleich hoher Drehzahl, ihre Energie an die Kurzschlussstelle abzugeben.

Berechnung: Volumen des Rotors

V={\frac {D^{2}\cdot l\cdot \pi }{4}}={\frac {(1m)^{2}\cdot 5m\cdot 3,14}{4}}=3,92m^{3}

Das Schwungmoment beträgt:

E={\frac {I\cdot \omega ^{2}}{2}}

Das polare Widerstandsmoment beträgt in [m⁴]:

\omega =2\cdot \pi \cdot f

\omega =D\cdot \pi

Turbogenerator

Wird der Generator von einer Dampfturbine oder Gasturbine, ausnahmslos mit hoher Drehzahl von zumeist 3000 1/min angetrieben, wird der Rotor mit schlankem, langen Vollpolmaschinenrotor mit nur einem Polpaar (N/S) verwendet, wobei die Nuten der Erregerwicklung des Rotors direkt aus dem massiven Stahlrotor herausgefräst werden, um die Windungen der Erregerwicklung aufnehmen zu können, sind besondere technische Maßnahmen dafür notwendig. Da die dabei auftretenden hohen Fliehkräfte der Erregerwicklung, die ausnahmslos mit gasgekühlten Hohlleitern gewickelt sind und dadurch die Verlustwärme in der Wicklung abführt. Die Wicklung des Stators ist in der Innenseite der Statorbohrung, entsprechend den 2 Polen gleichmäßig um 120 Grad versetzt verteilt. Die Kühlung der Statorwicklung erfolgt mit Frischluft. Die Funktion ist sonst identisch mit der Schenkelpolmaschine. Ihr Kurzschlussverhalten bei Kurzschlüssen im Netz unterscheidet sich wesentlich von der Schenkelpolmaschine. Hierher wird das noch unfertige Berechnungsbeispiel über die Kinetische Wucht (Arbeitsvermögen) $E=(m\cdot v^{2})/2$ ) bzw. $E=(I\cdot \omega ^{2})/2$ .

Asynchrongenerator

Eine weitere Bauart eines Generators ist der Asynchrongenerator, der im wesentlichen einem Asynchronmotor gleicht, jedoch sich meist durch modernste sehr verlustarme Magnetblechqualitäten auszeichnen da die meisten Generatoren jahresdurchgängig, ausgenommen Revisionszeiten, in Betrieb sind. Dieser Typ bezieht seine Magnetisierungsleistung $E=(L\cdot I^{2})/2$ bzw. Blindleistung aus dem angeschlossenen Stromnetz und liefert elektrische Wirkleistung in dieses hinein. Zum Unterschied zu einem Motor, der immer untersynchron laufen muss, läuft dieser mit einer übersynchronen Drehzahl, um einige Prozent über der Synchrondrehzahl liegend. Vorteil ist der einfachere und billigere Aufbau gegenüber Synchronmaschinen. Er kann jedoch allein nur unter schwierigen und eingeschränkten Bedingungen einen Inselbetrieb (ohne Netzanschluss) z. B. als Notstromaggregat bewerkstelligen. Er findet gerne Verwendung in kleineren Wasser- und Biogaskraftwerken im Dauerbetrieb, mit bis zu einigen 100 kW Leistung, die in das öffentliche Niederspannungsnetz an bestimmten vorgegebenen Einspeisepunkten einspeisen.

Einsatzgebiete, Anwendung

Generatoren erzeugen den Großteil des elektrischen Stroms. Sie finden sich sowohl in Wärmekraftwerken, (Gas-, Öl-, Kern- und Kohlekraftwerke) als auch in Wasserkraftwerken und Windenergieanlagen.

Generatoren gibt es in allen Größen, vom kleinen Fahrraddynamo, der während der Fahrt den Strom für die Fahrradbeleuchtung liefert, bis zu den 18 Großgeneratoren des Wasserkraftwerks am Itaipu an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay, in deren Statoren ein ganzes Philharmonie-Orchester Platz hätte.

Auch im Auto arbeitet ein Generator, dort heißt er Lichtmaschine. Diese wird durch den laufenden Ottomotor oder Dieselmotor über einen Riementrieb, z.B. einem Keilriemen angetrieben. Der von ihnen erzeugte Drehstrom wird mit Hilfe von Leistungsdioden in Gleichstrom umgewandelt. Die Lichtmaschine versorgt bei laufenden Motor die vielzähligen elektrischen Verbraucher und lädt die Autobatterie auf, die für den Startvorgang den Strom für den Anlasser liefern muss.

Veranschaulichung des Induktionsprinzips (U-Magnet und Induktionsschleife)

Weblinks

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Siehe auch

Elektrische Maschine, Elektromotor, Erregermaschine