Dreiphasenwechselstrom

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Als Dreiphasenwechselstrom oder Drehstrom (umgangssprachlich auch Starkstrom oder Kraftstrom) wird in der Elektrotechnik ein System von drei miteinander verketteten Wechselströmen bezeichnet.

Werden in einen Generator drei Spulen gleichmäßig im Kreis versetzt angeordnet, entstehen drei zeitlich ebenso versetzte Wechselspannungen, die ihre Amplituden in unterschiedlichen Phasen erreichen.

Die Summe der Spannungen aller drei Spulen ist in jeder Phase Null. Wenn eine Spannung ihre Amplitude erreicht, sind die beiden anderen Spannungen umgekehrt gerichtet und halb so groß. Wenn eine Spannung den Wert Null hat, sind die beiden anderen Spannungen entgegengesetzt gerichtet und gleich groß.

Energieübertragung

Wenn die drei Spulen mit drei gleichen Widerständen zu drei voneinander isolierten Stromkreisen verbunden werden, ist deshalb auch die Summe der in drei der sechs Verbindungsleiter fließenden Ströme in jeder Phase Null. Wenn diese drei Leiter an den Spulen und den Widerständen verbunden werden, fließt in ihnen daher kein Strom.

Eine solche Verbindung wird als Sternpunkt und dort angeschlossene Leiter als Neutralleiter bezeichnet. Wenn die Widerstände unterschiedlich sind, fließt im Neutralleiter nur der Strom, um den sich die Ströme in den anderen Leitern, den Außenleitern, unterscheiden. Bei Drehstrommotoren ist gewährleistet, dass die Widerstände gleich sind, so dass der Neutralleiter überflüssig ist.

Durch diese sogenannte Sternschaltung kann also die dreifache Leistung eines einzelnen Wechselstromsystems ab einem Mehraufwand an Material von nur 50% übertragen werden.

Drehfeld

Der Dreiphasenwechselstrom bietet die Möglichkeit, ein gleichmäßiges Drehfeld zu erzeugen, weil bei drei zeitlich versetzten Wechselspannungen die Reihenfolge der Phasen und die Drehrichtung des Feldes immer eindeutig ist. Drehstrommotoren sind einfach aufgebaut, robust, betriebssicher, wartungsfrei und wirtschaftlich.

Transformation

Während drei Einphasen-Transformatoren drei Eisenkerne mit mindestens sechs Schenkeln erfordern, genügt bei einem Drehstrom-Transformator ein Eisenkern mit drei Schenkeln. Durch die Verkettung der magnetischen Flüsse der drei Strangströme lassen sich drei Schenkel einsparen. Neben der Einsparung von aktivem Eisen hat ein Drehstromtransformator auch geringere Eisenverluste als drei Einphasen-Transformatoren mit gleicher Gesamtleistung, da die Verluste mit dem Eisenkern-Gewicht linear ansteigen.

Spannungen

In einem Gleichstrom- oder Einphasenwechselstromnetz mit zwei aktiven Leitern steht dem Verbraucher bei direktem Anschluss lediglich eine einzige Spannung zur Verfügung. Dagegen bietet sich in einem Vierleiter-Drehstromnetz die Möglichkeit des Anschlusses an zwei verschieden hohe Spannungen. Die Spannung zwischen den Außenleitern ist um den Verkettungsfaktor √ 3 (≈ 1,732) größer als die Spannung zwischen den Außenleitern und dem Neutralleiter. Entsprechend größer ist bei gleichem Strom die Leistung. Dies ermöglicht die wirtschaftliche Versorgung von Verbrauchsmitteln mit stark abweichender Leistungsaufnahme am selben Netz.

Drehstromnetz.png

Die Formel zur Berechnung einer einzelnen Wechselspannung in einem Dreiphasenwechselstromnetz lautet mit U als Leiterspannung zwischen den Außenleitern und U₀ als Strangspannung zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter:

U_\mathrm{0}=\frac{U}{\sqrt 3}

Am Beispiel des Stromnetzes in Haushalten ergibt sich:

U_\mathrm{0} = \frac{\mathrm{400\ V}}{\sqrt 3}\approx \mathrm{230\ V}

Drehstromnetze

Ein Drehstromnetz ist ein Stromnetz, in dem Dreiphasenwechselstrom verwendet wird. Da man den Drehstrom gut transformieren kann und Drehstrommotoren klein, kompakt, wartungsarm und billig hergestellt werden können, sind heute alle öffentlichen Stromnetze Drehstromnetze.

In Drehstromnetzen wird meistens der Neutralleiter geerdet. Hierbei werden im Niederspannungsbereich Vierleitersysteme, im Hochspannungsbereich über 1000 Volt Dreileitersysteme verwendet. Im Niederspannungsbereich und in Höchstspannungsnetzen ist der Sternpunkt starr geerdet, in Mittelspannungs- und Hochspannungsnetzen ist dieser häufig induktiv über eine Drosselspule/Erdschlusslöschspule geerdet.

Mit Drehstrom angetriebene moderne Schienenfahrzeuge haben eine interne Drehstromversorgung, die mit Stromrichtern aus dem Einphasenwechselstrom der Oberleitung generiert wird. Bei früheren Bahn-Drehstromantrieben wie in Italien wurde eine der Drehstromphasen indirekt geerdet durch Verbindung mit der Schiene. Damit konnte die Oberleitung in einer praktischeren zweipoligen statt einer dreipoligen Version ausgeführt werden. Die letztere Version wurde lediglich bei Versuchsfahrten wie auf der Preußischen Militäreisenbahn um 1903 verwendet.

Dreileitersystem

Drehstromsystem.png Diese drei Wechselstrom-Phasen lassen sich jeweils einzeln zur Versorgung elektrischer Verbraucher nutzen. Wenn die Belastung aller drei Phasen gleich groß ist (symmetrische ohmsche Belastung), dann ist die geometrische Summe (siehe Vektorrechnung) der Ströme in den einzelnen Phasen zu jedem Zeitpunkt gleich Null. Daher lassen sich für solche Bedingungen die Generatorspulen an ihrem einen Ende zu einem so genannten Sternpunkt oder Mittelpunkt zusammenschalten. Dieser Sternpunkt ersetzt die Rückleitung. Die elektrischen Verbraucher müssen in diesem Falle mit ihrem Rückleitungs-Ende ebenfalls zu einem Sternpunkt zusammengeschlossen werden. Durch dieses so entstandene Dreileiter-System lässt sich ein elektrisches Energieübertragungsnetz besonders ökonomisch aufstellen.

Das reine Dreileiter-System ohne separate Rückleiter wird verwendet, wenn die nahezu symmetrische Belastung annähernd erreicht werden kann und für begrenzte Ausgleichs- und kapazitive Ladeströme der Leitung die Erde als Rückleitung ausreicht, wie z. B. in Hochspannungs-Freileitungs-Netzen von z. B. 6 bis 400 kV (regionales Übertragungs-Netz der Netzbetreiber – vom Kraftwerk zum Umspannwerk).

Die Bezeichnungen der Außenleiter (Phasen) mit R, S und T sind teilweise noch in Gebrauch. Sie sind jedoch veraltet. Die aktuell üblichen Bezeichnungen sind L1, L2 und L3. 'L' steht dabei für 'Line'.

Vierleitersystem

Asymmetrisches_Drehstromsystem.png

Bei Aufteilung des Dreiphasenwechselstrom-Systems in einzelne Wechselstromleitungen, zum Beispiel in Haushalten, ist jedoch eine gleichmäßig verteilte Entnahme nicht mehr gewährleistet. Hier wird dem Dreileiternetz ein zusätzlicher Ausgleichsleiter zugefügt, über den die Ausgleichsströme zum Sternpunkt des Versorgungssystems zurückfließen. Dieser Neutralleiter ist wie die Außenleiter ein sogenannter aktiver Leiter des Drehstromsystems, der im Gegensatz zu einem zusätzlichen Schutzleiter im normalen Betrieb Strom führen kann.

Siehe auch

Weblinks

Elektrischer Strom

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