Elektrischer Generator

Generator_für_Demonstrationszwecke.jpg 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 ist, der umgekehrt elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt.

Wirkungsweise

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Kraftwerk Heimbach03.jpg-Generator im Kraftwerk Heimbach]]

Drehstrom-Synchron-Generator.jpg

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 senkrecht 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, das entsprechend den Anforderungen der Maschine homogen aufgebaut ist. Der Rotor muss außerdem möglichst reibungsarm im Stator gelagert werden, um die Reibungsverluste zu verringern.

Der Rotor bei Kurzschlussläufer-Generatoren benötigt keine Stromzuführung, bei anderen Modellen erfolgt die Stromzuführung über Schleifringe. Gleichstromgeneratoren benötigen einen Kommutator (Stromwender). Fast alle modernernen Generatoren werden als Drehstromasynchronmaschinen betrieben, auch die Lichtmaschine im KFZ.

Ein zu vermeidender Betriebszustand ist der Lastabwurf, der ohne den Eingriff eines Reglers den Generator zerstören würde, weil die steigende Drehzahl zu extremen Fliehkräften in den Ankerwicklungen führt.

Großtechnische Generatoren

Großtechnische Generatoren bestehen aus einem Stator genannten feststehenden Teil, der im Prinzip eine große Induktionsspule mit Eisenkern darstellt. Der Stator ist in der Regel kein massiver Eisenkörper sondern wird zur Vermeidung von Wirbelströmen aus vielen einzelnen Blechlamellen aufgebaut. Bei Großgeneratoren werden diese Lamellen aus hochwertigem nichtkornorientierten Elektroband, früher auch Elektroblech genannt, hergestellt, seltener auch aus kornorientiertem Elektroband. 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). Moderne Generatorn zum Einsatz in Kraftwerken verfügen mittlerweile schon über bürstenlose Erregereinrichtungen. In jeder Phase der 3-poligen Statorwicklung (Induktionsspulen) wird durch Induktion eine Wechselspannung erzeugt. Durch den Versatz der Statorspulen um jeweils 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 300 MVA 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.

Geschichte

Erste Stromerzeugung durch Induktion

Den ersten bekannt gewordenen Wechselstromerzeuger baute Hippolyte Pixii auf Anregung von Ampère, das Modell (siehe Galerie) wurde 1832 aus zwei Spulen gefertigt unter der ein Hufeisenmagnet kreist. Der Strom wird noch in der Maschine durch einen Kommutator gleichgerichtet. Ebenfalls im Jahr 1832 wurde von Dal Negro ein schwingender Apparat zur Erzeugung, weitere nicht rotierende Stromerzeuger wurden von Gauss und anderen gebaut.

Erster großtechnischer Einsatz von Wechselstromgeneratoren

Der Wechselstromgenerator der Gesellschaft Alliance (siehe Galerie) nach einer Anregung von Professor Floris Nollet (Brüssel) aus dem Jahr 1849, war der erste Generator, der in der Industrie nennenswerten Einsatz fand. Der gedachte Einsatzzweck der Maschinen war es, Wasser elektrochemisch zu zerlegen, um Leuchtgas für die Beleuchtung zu gewinnen. Tatsächlich dienten die meisten Maschinen jedoch ohne Kommutator in englischen und französischen Leuchttürmen zum Betrieb von Bogenlampen; die letzten wurden erst in der Wende zum 20sten Jahrhundert außer Betrieb genommen.

Erste Generatoren ohne Dauermagneten

Als Erfinder des Generators ohne Permamentmagnete gelten Werner von Siemens und der Ungar Ányos Jedlik. 1866 entdeckte Siemens das dynamoelektrische Prinzip und baute eine erste Dynamomaschine und bereits 6 Jahre vor ihm Ányos Jedlik, dessen Erfindungen aber weitgehend unbekannt blieben.

Erste Mehrphasenwechselstromgeneratoren

Im Rahmen der Frankfurter internationalen Industrie-Ausstellung wurden 1891 Wechselstrommaschinen gezeigt, die speziall zur Erzeugung von Mehrphasenwechselstrom gebaut wurden. Den ersten dieser Generatoren hatte bereits Friedrich August Haselwander im Jahre 1887 gebaut. Dieser lieferte bereits Dreiphasenwechselstrom. Der Amerikaner Charles Bradley erwarb schon anfangs 1897 ein Patent für einen Zweiphasenwechselstromgenerator. Weiterhin wurde eine Wechselstrommaschine der Firma Schuckert und ein Generator von Brown, Boveri & Cie. (siehe Galerie) vorgestellt.

Erste großtechnische Kraftwerke

In der Folgezeit wurden zahlreiche Kraftwerke gebaut, die ihre Energie teils aus Wasserkraft, teils aus Dampf bezogen. In Niagara (USA) ging 1895 das erste Grosskraftwerk der Welt ans Netz, bereits 1898 folgen die Kraftübertragungswerke Rheinfelden in Europa als Flusskraftwerk. Ein Dampfkraftwerk brachte das Elektrizitätswerk Budapest bereits 1895 ans Netz (siehe Galerie). Bild:Wechselstromerzeuger.jpg|Erste bekannt gewordene magneto-elektrische Wechselstrommaschine, gebaut 1832 von Hippolyte Pixii Bild:Industriegenerator.jpg|Wechselstromgenerator der Gesellschaft Alliance nach einer Anregung von Professor Nollet (Brüssel) aus dem Jahr 1849 Bild:Wechselstromgenerator.jpg|Zeichnung eines Drehstromgenerators aus dem Jahr 1891 nach C. E. Brown (Brown, Boveri & Cie.) Bild:Generatorhalle.jpg|Dampfmaschinenbetriebener Zweiphasenstromgenerator mit Ringanker für das Elektrizitätswerk Budapest 1895

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
Niethammer, F., "Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom-Erzeuger", Verlag S. Hirzel, Leipzig 1906

Weblinks

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