Wechselstromgenerator: Einführung
Synchron-Wechselstromgeneratoren sind der dominierende Typ von Generatoren, die in der elektrischen Energieerzeugung in der Energietechnik verwendet werden. Über 95% der heute genutzten elektrischen Energie wird von Dreiphasen-Wechselstromgeneratoren (3~) erzeugt. Das Funktionsprinzip aller Wechselstromgeneratoren basiert auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion.
Dieselmotor verbunden mit einem Wechselstromgenerator
Faradays Gesetz
Zwei physikalische Gesetze bestimmen, wie fast die gesamte Elektroindustrie funktioniert.
- Faradays Gesetz – ein sich änderndes Magnetfeld induziert in jedem Leiter innerhalb dieses Feldes eine Spannung.
- Amperes Gesetz – elektrischer Strom, der in einem Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld um diesen Leiter.
Amperes Gesetz - Magnetfelder, die durch Stromfluss um Leiter erzeugt werden
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Konventioneller und tatsächlicher Stromfluss (Lochfluss)
Wenn Strom (gemessen in Amper) durch einen Leiter fließt, wird ein Magnetfeld um diesen Leiter erzeugt. Die Richtung des Magnetfeldes hängt von der Richtung des Stromflusses ab.
Rechte-Hand-Regel
Die Rechte-Hand-Regel zeigt die Richtung des Magnetfeldes basierend auf dem konventionellen Stromfluss (positiv zu negativ). Die Rechte-Hand-Regel wird so genannt, weil, wenn eine Hand einen Leiter umgreift, der Daumen die Richtung des Stromflusses anzeigt, während die Finger, die den Leiter umschließen, die Richtung des Magnetfeldes anzeigen.
Rechte-Hand-Regel
Linke-Hand-Regel
Die Linke-Hand-Regel zeigt die Richtung des Magnetfeldes basierend auf dem tatsächlichen Stromfluss (negativ zu positiv). Die meisten elektrischen Ingenieurindustrien verwenden den konventionellen Stromfluss, während die elektronischen Industrien den tatsächlichen Stromfluss (auch bekannt als ‘Lochfluss’) bevorzugen. Für die meisten Anwendungen ist die Richtung des Stromflusses nicht wichtig, sodass der historische Fehler, der gemacht wurde, als man annahm, dass der Strom von positiv zu negativ fließt, nie korrigiert wurde.
Wichtig – Die meisten Veröffentlichungen verwenden die RECHTE-HAND-REGEL. Gehen Sie von konventionellem Stromfluss aus, sofern nicht anders angegeben.
Linke-Hand-Regel
Flemings Linke-Hand-Regel
Es ist nützlich, eine weitere Linke-Hand-Regel zu kennen, die weit häufiger verwendet wird als die zuvor erwähnte Linke-Hand-Regel; diese Linke-Hand-Regel wird ‘Flemings Linke-Hand-Regel’ genannt.
Flemings Linke-Hand-Regel wird verwendet, um die Kraft zu bestimmen, die auf einen stromführenden (elektrisch geladenen) Leiter ausgeübt wird, wenn er sich in einem Magnetfeld befindet. Flemings Linke-Hand-Regel wird oft verwendet, um die Drehrichtung von Elektromotoren zu bestimmen.
Flemings Linke-Hand-Regel
Faradays Gesetz
Faradays Gesetz wird nun ausführlicher besprochen, da es direkt damit zusammenhängt, wie Elektrizität erzeugt wird (Amperes Gesetz wird später besprochen).
Faradays Gesetz besagt, dass, wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird, eine Spannung (elektrisches Potential) in diesem Leiter induziert wird. Ebenso wird eine Spannung in einem stationären Leiter induziert, wenn er sich in einem sich ändernden Magnetfeld befindet. Keine Spannung wird induziert, wenn das Magnetfeld statisch (nicht veränderlich) ist.
Magnet mit Magnetfeldlinien
Beachten Sie, dass Faradays Gesetz auch als ‘Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion’ bezeichnet wird. Die Begriffe ‘magnetische Induktion’ und ‘elektromagnetische Induktion’ haben die gleiche Bedeutung und werden austauschbar verwendet.
Magnetfelder
Magnetfelder werden dargestellt, indem eine Reihe von Linien gezeichnet wird, die von einem Ende eines Magneten zum anderen verlaufen.
- Stärkere Magnetfelder werden durch dicht gepackte Magnetfeldlinien dargestellt.
- Schwächere Magnetfelder sind weiter voneinander entfernt.
Die Feldstärke eines Magneten ist proportional zur Entfernung vom Magneten, d.h. die Feldstärke ist am stärksten in der Nähe des Magneten und wird schwächer, je weiter man sich vom Magneten entfernt.
Leiter
Ein Leiter ist jede Substanz, die den Stromfluss ermöglicht (Elektronenfluss zulässt). Einige Leiter haben bessere Leitfähigkeit (Fähigkeit, Strom zu leiten) als andere. In der Elektrotechnik sind Kupfer und Aluminium beliebte Leiter, da sie eine hohe Leitfähigkeit aufweisen.
Kupferdraht (Kupferleiterstränge)
Wie Wechselstromgeneratoren funktionieren
Faradays Gesetz besagt, dass eine Spannung in jedem Leiter induziert wird, der sich in einem sich ändernden Magnetfeld befindet; dieser Induktionsprozess wird als ‘elektromagnetische Induktion’ bezeichnet. Um Wechselstrom (AC)-Spannung zu erzeugen, müssen wir daher entweder:
- Ständig einen Leiter durch ein stationäres Magnetfeld bewegen.
- Ständig ein Magnetfeld über einen stationären Leiter bewegen.
Großanlagen zur Energieerzeugung erzeugen Strom, indem sie die Option ‘stetig ein Magnetfeld über einen stationären Leiter bewegen’ nutzen. Kraftwerke sind keine einfachen Konstruktionen, aber die grundlegenden Prinzipien, wie Strom von über 95% der Kraftwerke erzeugt wird, sind unten dargestellt.
Leiter, der sich durch ein stationäres Magnetfeld bewegt
Beachten Sie, dass das obige Bild einen rotierenden Leiter zeigt, aber Kraftwerke haben stationäre Leiter und rotierende Magnete (umgekehrte Anordnung wie im Bild gezeigt).
Um Strom zu erzeugen, wird ein Magnet benötigt und ein Mittel, diesen Magneten kontinuierlich zu bewegen, sodass das Magnetfeld ständig wechselt. Es ist möglich, den Magneten linear (in einer geraden Linie) hin und her zu bewegen, aber dies wäre etwas unpraktisch und ineffizient. Der wirtschaftlichste Weg, um die Magnetfeldlinien ständig in Bewegung zu halten, besteht darin, den Magneten zu drehen. Dies kann leicht erreicht werden, indem der Magnet an eine Maschine angeschlossen wird, deren Ausgang eine Rotationsbewegung ist. Zum Beispiel, indem man eine Ausgangswelle an die unten aufgeführten Maschinen anschließt und dann einen Magneten an die Ausgangswelle koppelt, können wir die Rotationsbewegung der Maschine (mechanische Leistung) auf den Magneten übertragen:
- Dieselmotor.
- Dampfturbine.
- Verbrennungsturbine.
- Wasserkraftturbine (Kaplan, Francis, Pelton).
- Windturbine.
In der realen Welt werden die oben genannten Maschinen als ‘Primärantriebe’ bezeichnet, da sie die mechanische Leistung übertragen, die ein Generator benötigt, um elektrische Leistung zu erzeugen. Es ist wichtig zu erkennen, dass ‘Generatoren’ keine elektrische Energie ‘erzeugen’. Es ist nur möglich, Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln.
Energie kann nicht zerstört oder erzeugt werden (Erster Hauptsatz der Thermodynamik)
Primärantriebe übertragen mechanische Energie an Generatoren über eine Welle und/oder ein Getriebe. Generatoren wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um.
Grundlegendes Beispiel zur Energieerzeugung
Das folgende Video ist ein Auszug aus unserem Online-Video-Kurs zur Mechanik und Elektrotechnik.
Um einen Primärantrieb zu simulieren, können wir einen Magneten physisch an die Ausgangswelle eines Wasserrads (Wasserturbine) anschließen. Wasser fließt über das Wasserrad, wodurch es sich dreht und folglich der Magnet rotiert. Wenn die Wasserversorgung kontinuierlich ist, dreht sich das Wasserrad kontinuierlich, ebenso der Magnet. Jetzt, da ein Mittel gefunden wurde, um das Magnetfeld kontinuierlich zu ändern, muss ein Leiter innerhalb des sich ändernden Magnetfeldes platziert werden, damit eine Spannung induziert werden kann.
Grundlegendes AC-Stromerzeugungs-Setup
Das Platzieren eines einzelnen Leiters innerhalb des Magnetfeldes würde nicht viel Spannung in diesem Leiter induzieren, aber wenn der Leiter in die Form einer Spule gewickelt wird, ist es möglich, viel mehr Spannung zu induzieren. Um die Spannungsinduktion noch effizienter zu gestalten, kann der Leiter so nah wie möglich am Magneten installiert werden. Darüber hinaus führt das Hinzufügen von mehr Schleifen zur Spule zu mehr Spannung, während das Entfernen von Schleifen aus der Spule zu weniger Spannung führt.
Wenn der Magnet dreht und ein Leiter innerhalb des Magnetfeldes platziert wurde, wird Spannung im Leiter induziert. Wenn der Leiter an einen geschlossenen Stromkreis angeschlossen ist, wird Wechselstrom fließen. Elektrizität kann jetzt an Verbraucher geliefert/verteilt werden!
Grundlegendes AC-Stromerzeugungsbeispiel
Generatorrotor
Industrielle Generatoren verlassen sich auf kompliziertere Komponenten als einfache Magnete und Spulen, aber die Funktionsprinzipien der Energieerzeugung bleiben gleich. Der rotierende Magnet eines Generators wird als ‘Rotor’ bezeichnet, während die Spule als ‘Stator’ bezeichnet wird. Es ist möglich, dass der Stator als Magnet fungiert und der Rotor als Spule, aber diese Anordnung wird zu diesem Zeitpunkt nicht besprochen.
Ein Rotor besteht normalerweise aus einer Reihe von Magneten, die auf einem laminierten Kern aus dünnen Stahlplatten montiert sind; die dünnen laminierten Stahlplatten werden als ‘Laminierungen’ bezeichnet. Laminierungen beeinflussen die Form des Magnetfeldes, da Stahl Eisen enthält, das magnetisch ist (in der Lage, als Magnet zu wirken oder von einem Magneten angezogen zu werden). Darüber hinaus fokussieren Laminierungen das Magnetfeld, sodass so viele Magnetlinien wie möglich mit dem Leiter kreuzen. Das Fokussieren des Magnetfeldes verbessert die Effizienz eines Generators, da die in einem Leiter induzierte Spannung zunimmt, wenn die Anzahl der Magnetfeldlinien, die den Leiter kreuzen, zunimmt.
Für reale Anwendungen würde das grundlegende ‘Magnet, der sich in der Nähe einer Spule dreht’-Beispiel, das zuvor beschrieben wurde, nicht ausreichen, um den Strombedarf unserer Zivilisation zu decken. Permanente Magnete sind nicht praktisch zu handhaben (schwer zu transportieren, stellen Sicherheitsrisiken dar usw.) und sind teuer. Eine alternative Form von Magneten ist erforderlich, diese Anforderung wird durch Elektromagnete erfüllt.
Tipp: Ein permanenter Magnet ist einer, dessen Nord- und Südpol fest sind und sich nicht ändern. Permanente Magnete sind auch als ‘Ferromagnete’ bekannt.
Permanente Magnete
Was ist Amperes Gesetz?
Bevor wir über Elektromagnete sprechen, ist es notwendig, Amperes Gesetz zu verstehen.
Amperes Gesetz besagt, dass elektrischer Strom, der in einem Leiter fließt, ein Magnetfeld um diesen Leiter erzeugt. Die Stärke des erzeugten Magnetfeldes ist proportional zur Stromstärke. Gleichstrom fließt in eine Richtung und die resultierende Magnetfeldgröße und Polarität ist konstant. Wechselstrom fließt in zwei Richtungen und die Ergebnisse sind:
- Die Magnetfeldgröße nimmt zu und ab.
- Die Magnetfeldstärke nimmt zu und ab.
- Die Polarität des Magnetfeldes kehrt sich um (Nord zu Süd und dann Süd zu Nord).
Die oben genannten Ergebnisse treten synchron mit der sich ändernden Richtung des elektrischen Stroms auf. Eine Sinuswelle wird verwendet, um die Stärke des Magnetfeldes über die Zeit und seine Polarität anzuzeigen (Nord ist positiv, Süd ist negativ).
Sinuswelle, die sich über die Zeit ändert
Was ist Polarität?
Permanente Magnete haben einen Nord- und Südpol. Wenn sich die Süd- und Nordpole des Magneten umkehren (sodass Nord zu Süd und Süd zu Nord wird), sagt man, dass die Polarität ‘umgekehrt’ ist.
Elektromagnete
Wie bereits erwähnt, besagt Amperes Gesetz, dass ‘elektrischer Strom, der in einem Leiter fließt, ein Magnetfeld um diesen Leiter erzeugt’.
Wenn Gleichstrom (DC) in einem Leiter fließt, wird das Magnetfeld konstant sein.
Wenn Wechselstrom (AC) in einem Leiter fließt, wird das Magnetfeld variieren (sich ausdehnen und zusammenziehen).
Die Stärke eines Magnetfeldes um einen Leiter ist proportional zur Stromstärke, die durch den Leiter fließt.
Es ist möglich, ein fokussiertes Magnetfeld zu erzeugen, indem ein Leiter in die Form einer Spule gewickelt wird. Wenn Strom durch die Spule fließt, wird effektiv ein Nord- und Südpol an jedem Ende der Spule erzeugt.
Magnetfeld aufgrund von Stromfluss durch eine Spule
Ein Elektromagnet entsteht, wenn Strom durch eine Spule fließt und ein resultierender Nord- und Südpol entsteht. Beachten Sie, dass die Position von Nord und Süd durch Umkehrung der Stromflussrichtung umgekehrt werden kann. Gleichstrom würde einen festen Nord- und Südpol erzeugen, da der Stromfluss nur in eine Richtung erfolgt. Wechselstrom würde wechselnde Nord- und Südpole erzeugen, da der Stromfluss in zwei Richtungen (hin und her) erfolgt.
Wenn Spulen auf einem Generatorrotor installiert sind, ist es möglich, einen elektrischen Strom auf diese Spulen anzuwenden, um einen Elektromagneten zu erzeugen. Die Installation mehrerer Spulen auf dem Rotor ermöglicht die Erzeugung mehrerer Nord- und Südmagnetpole. Die Erzeugung eines Magnetfeldes eines Generators mit Elektromagneten hat mehrere signifikante Vorteile im Vergleich zur Verwendung von Permanentmagneten:
- Die Steuerung des Stroms, der den Elektromagnet(en) zugeführt wird, ermöglicht es, die Stärke des Magnetfeldes zu steuern, sodass es möglich ist, zu steuern, wie viel Spannung in den Statorwicklungen (Leiterspulen) induziert wird.
- Die Variation der Anzahl der Spulen, die von einem Elektromagneten verwendet werden, bestimmt die potenzielle Magnetfeldstärke, die ein Elektromagnet erzeugen kann; dies ist eine wichtige und nützliche Eigenschaft während des Designprozesses.
- Spulenmaterialien sind im Allgemeinen viel einfacher zu beschaffen, zu warten und/oder zu ersetzen als große Permanentmagnete.
- Elektromagnete sind günstiger im Vergleich zu großen Permanentmagneten.
- Elektromagnete sind einfacher zu handhaben als große Permanentmagnete.
Was sind ‘Generatorrotor-Pole’?
Generatorrotoren werden manchmal als ‘2-Pole’ oder ‘4-Pole’ usw. bezeichnet. Die ‘Pole’ beziehen sich auf den Nord- oder Südpol eines Magneten. Ein 2-Pol-Rotor hat einen Süd- und einen Nordpol. Ein 4-Pol-Rotor hat zwei Nord- und zwei Südpole usw.
Elektrischer Generatorstator
Die Leiterspulen, die einen Rotor umgeben, werden kollektiv als ‘Stator’ bezeichnet. Das Umgeben des Rotors mit einer Spule oder einer Reihe von Spulen stellt sicher, dass die vom Rotor erzeugten Magnetfeldlinien mit einer großen Fläche der Spule(n) kreuzen, was zu mehr induzierter Spannung führt.
Ein Stator mit einer einzelnen Spule würde Einphasen-(1~)-Spannung induzieren. Die Installation weiterer Spulen erzeugt zusätzliche Phasen. Eine ‘Phase’ ist das Spannungsdifferenzpotenzial, das über einen einzelnen Leiter gemessen wird. Die Induktion von Spannung in 3 separaten Spulen zur gleichen Zeit wäre nicht praktikabel, da das elektrische System stark zwischen positiver und negativer Spannung schwanken würde und es nicht möglich wäre, die Spulen genau im gleichen physischen Raum zu installieren. Die Installation von drei Spulen in einem Abstand von 120 Grad ermöglicht es, Spannung in drei separaten Spulen auf eine ausgewogenere Weise zu induzieren. Kraftwerke erzeugen 3-Phasen-Wechselspannung.
Dreiphasen-Wechselspannung
Elektrische Leistung (P=VI)
Elektrische Leistung wird durch die Gleichung dargestellt:
P = V I
Leistung = Spannung x Strom
Aus der obigen Gleichung kann abgeleitet werden, dass die Leistung immer 0 ist, wenn der Spannungswert 0 ist oder wenn der Stromwert 0 ist. Ein offener Stromkreis hat keinen Stromfluss, aber wenn der Stromkreis geschlossen ist, wird Strom fließen (wenn Spannung vorhanden ist). Während es möglich ist, Spannung ohne Strom zu haben, ist es nicht möglich, Strom ohne Spannung zu haben. Um elektrische Leistung zu erzeugen, müssen wir daher sowohl Spannung als auch einen geschlossenen Stromkreis für den Stromfluss haben.
Wie Kraftwerke Strom erzeugen
Unabhängig davon, welcher Typ von Kraftwerk (Kraftwerk) betrachtet wird, verwenden über 95% von ihnen das grundlegende Prinzip ‘stetig ein Magnetfeld über einen stationären Leiter bewegen’, um elektrische Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel:
- Kohlekraftwerk (und jedes fossile Brennstoffkraftwerk) – verbrennt Brennstoff, um seine chemische Energie als Wärme freizusetzen, die dann verwendet wird, um Wasser zu Dampf zu machen. Der Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt, die die Turbine zum Drehen bringt. Die resultierende mechanische Leistung der Turbine wird über eine Welle (und in der Regel ein Getriebe) an einen Generator übertragen.
- Windturbine – Wind strömt über die Rotorblätter einer Windturbine, wodurch sich die Blätter drehen. Die Rotationsbewegung (kinetische Energie) der Blätter wird einem Generator zugeführt.
- Kernkraftwerk – erzeugt Wärme (thermische Energie), um die Temperatur des Wassers zu erhöhen; das Wasser wird dann einem Wärmetauscher zugeführt. Wasser auf der Schalenseite des Schalen- und Rohrwärmetauschers wird zu Dampf, wenn es erhitzt wird; dieser Dampf wird dann einer Dampfturbine zugeführt, die mit einem Generator verbunden ist.
- Wasserkraftwerk (Staudamm, Pumpspeicher, Gezeitenströmung, Gezeitenkraftwerk, Laufwasserkraftwerk) – Wasser wird einem Turbinenläufer zugeführt, der den Läufer zum Drehen bringt. Der Läufer ist über eine Welle mit einem Generator verbunden.
Wasserkraft-Turbinenläufer und Generator
- Solarschmelzofen – elektromagnetische Wellen der Sonne werden auf einen bestimmten Punkt (Solarschmelzofen) fokussiert, um an diesem Punkt eine große Menge Wärme zu erzeugen. Ein thermisches Fluid (oft geschmolzenes Salz) absorbiert die Wärme und überträgt sie über einen Wärmetauscher auf Wasser. Das Wasser wechselt die Phase zu Dampf und der Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt, die mit einem Generator verbunden ist.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php