Elektrischer Generator

Ein Generator (v. lat. generare: erzeugen) ist eine Elektrische Maschine, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umformt. Sie ist technisch gesehen das Gegenstück zum elektrischen Motor, der elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt.

Das allgemeine Funktionsprinzip ist: Ein von außen wirkender Antrieb dreht eine Spule in einem Magnetfeld, und erzeugt durch Induktion eine elektrische Spannung (dynamoelektrisches Prinzip). Ist ein Verbraucher angeschlossen, so fließt elektrischer Strom.

Als Erfinder des Generators gelten Werner von Siemens und Ányos Jedlik, wobei letzterer bereits 5 Jahre vor Siemens das dynamoelektrische Prinzip entdeckte, dies aber weitgehend unbekannt blieb.

Wirkungsweise

Induktionsprinzip (U-Magnet und Leiterschleife)

Illustration zum groben Aufbau eines zweipoligen Generators

Synchron-Generator von 1920 mit 2.000 kVA

Das Generatorprinzip lässt sich auf die Lorentzkraft zurückführen, die auf bewegte, elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Bewegt sich ein Leiter quer zum Magnetfeld, so wirkt die Lorentzkraft auf die Elektronen im Leiter und setzt sie in Bewegung. Diese Ladungsverschiebung bewirkt eine Potentialdifferenz zwischen den Enden des Leiters.

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 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.

Turbogenerator

Wird der Generator von einer Dampfturbine oder Gasturbine, ausnahmslos mit hoher Drehzahl von zumeist 3000 min^-1 angetrieben, so wird der Rotor als schlanker, langer Vollpolmaschinenrotor mit nur einem Polpaar (N/S) ausgeführt.Dabei werden die Nuten für die Erregerwicklung des Rotors direkt aus dem massiven Stahlrotor herausgefräst. Zur Aufnahme der Windungen der Erregerwicklung sind besondere technische Maßnahmen notwendig, um die auftretenden hohen Fliehkräfte der Erregerwicklung aufzufangen. Die Erregerwicklung wird mit gas- oder wassergekühlten Hohlleitern gewickelt, um die entstehende Verlustwärme in der Wicklung abfzuführen. 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, Wasserstoff oder Wasser. Die Funktion ist sonst identisch mit der Schenkelpolmaschine. Ihr Kurzschlussverhalten bei Kurzschlüssen im Netz unterscheidet sich wesentlich von der Schenkelpolmaschine.

Einsatzgebiete, Anwendung

Generatoren erzeugen den Großteil des elektrischen Stroms. Sie sind wesentlichster Bestandteil von allen Kraftwerken.

Generatoren gibt es in allen Größen, vom kleinen Fahrraddynamo bis zu den Großgeneratoren des Wasserkraftwerks Itaipu an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay, mit einer Leistung von je 700 MW ( 700 000 kW). Im Stator von nur einem von ihnen könnte ein ganzes Philharmonie-Orchester Platz nehmen.

Im Auto wird elektrische Energie durch einen Generator erzeugt, der dort "Lichtmaschine" genannt wird. Diese wird durch den laufenden Ottomotor oder Dieselmotor über einen Keilriemen angetrieben. Der von ihr erzeugte Drehstrom wird mit Leistungsdioden in Gleichstrom umgewandelt. Die Lichtmaschine lädt vorrangig die Autobatterie auf, von der aus der Anlasser, die Zündung und Beleuchtung sowie die weiteren elektrischen Aggregate versorgt werden.

Bemerkenswert ist die hohe Lebensdauer von stationären Anlagen, insbesondere in Wasserkraftwerken. Viele Generatoren, die noch heute einen wesentlichen Beitrag zur Stromerzeugung liefern, sind schon viele Jahre in Betrieb. Beispiele: Kraftwerk Walchensee (1924)

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