Kapitel 1: Eine historische Einführung

Abhängig davon, wo man in der Welt unterwegs ist, wird die Netzversorgung aus der Steckdose 50Hz oder 60Hz Wechselstrom (AC) mit einer nominalen Spannung von rund 120VAC bzw. 230VAC betragen. Wenn man nicht gerade elektrische Verbraucher wie z. B. Haartrockner, Rasierapparate, Wasserkocher etc. betreiben möchte, benötigt man einen Adapter (Konverter), um die verfügbare Wechselspannung aus dem Netz in eine entsprechende Gleichspannung umzuwandeln, um beispielsweise Mobiltelefone zu laden oder Laptops zu versorgen. Aufgrund der Tatsache, dass fast alle elektronischen Geräte mit Gleichstrom betrieben werden, könnte man sich vielleicht die Frage stellen, warum die Netzspannung trotzdem eine Wechselspannung ist? Und um gleich bei diesem Thema zu bleiben: Warum hat man eigentlich 50/60Hz oder 120/230VAC als die „richtigen“ Werte für die Stromversorgung definiert und festgelegt?

Als im 19. Jahrhundert erstmals öffentliche Stromverteilungsnetze entwickelt wurden, war die Auswahl viel größer. Es wurden sowohl DC- als auch AC-Netze angeboten, wobei die Netzfrequenz von 16⅔Hz bis 133Hz reichte. Elektronische Geräte waren noch nicht erfunden worden, weshalb Elektrizität vorwiegend für Beleuchtung oder zur Heizung verwendet wurde. Beide Anwendungen funktionierten gleichermaßen mit Wechselstrom- oder Gleichstromversorgung, sodass eine exakte Netzfrequenz nicht im Vordergrund stand. Damals war die am weitesten verbreitete Frequenz für Wechselstromnetze 42Hz. Zudem hat Edison in Amerika sein Gleichstrom-Verteilungsnetz patentieren lassen und begründete es damit, dass es sicherer und zuverlässiger sei als Wechselstrom-Verteilungsnetze [1].

Dies war auch richtig, da die damaligen elektrischen Generatoren nicht besonders zuverlässig waren und Batteriebänke sowohl die Ausgangsspannung stabilisierten als auch kurzzeitige Generatorausfälle überbrücken konnten. Bei Wechselstromgeneratoren war die Verwendung von sehr guten Drehzahlreglern enorm wichtig, um bei variablen Belastungen stets die spezifizierte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Zudem gibt es im Falle eines Generatorausfalles keine Back-up-Option.

Letztendlich hat sich AC aus drei Hauptgründen gegenüber DC-Verteilnetzen durchgesetzt. Erstens: Die Einfachheit der Konstruktion der ersten AC-Generatoren führte zu einer rasanten Verbesserung der Zuverlässigkeit. Zweitens: Die Leichtigkeit, mit der die Spannung mit Transformatoren nach oben oder unten geändert werden konnte, und drittens: die Einführung von mehrpoligen Generatoren mit dem Effekt, die Drehzahl von schweren und stärkeren Generatoren zu reduzieren. Die damals verwendeten einfachen elektrischen Generatoren wandelten mechanische Energie in elektrische Energie um, indem ein Magnet in einer stromdurchflossenen Drahtspule bewegt wurde (Abb. 1.1). Zu bemerken ist, dass es hier keine beweglichen elektrischen Kontakte gibt.


Die Anordnung in Abbildung 1.1 wird allgemein als Wechselstromgenerator bezeichnet, da der Strom abwechselnd in eine Richtung und dann in die andere fließt, wenn sich der Magnet dreht. Wenn ein nicht alternierender Ausgang gewünscht wird, ist ein mechanischer Schalter, welcher als „Kommutator“ bezeichnet wird, erforderlich, um die Richtung bei jeder Halbwelle umzukehren:


Bei dieser Anordnung bewegt sich die Drahtspule innerhalb eines festen Magnetfelds, anstatt eines Magneten innerhalb einer Drahtspule. Der Effekt ist der gleiche. Die Umschaltung des Kommutators wird üblicherweise mit einem geteilten Schleifring an der Welle des Generators gewährleistet, welcher die Verbindungen bei jeder halben Umdrehung umkehrt:


Die Verbreitung von Stromverteilungsnetzen und die steigende Nachfrage nach elektrischer Energie verursachten demnach eine Erhöhung des Stroms, der durch die Kommutator-Bürsten (Kohlebürsten) floss. Das machte das Gleichstromsystem unzuverlässiger als der zu dieser Zeit verwendete einfache Wechselstrom-Generator, welcher keine Schleifringe benötigte.

Der zweite Grund für das Ende des DC-Stromübertragungsschemas waren die zunehmenden Verluste, da immer mehr Häuser an das System angeschlossen wurden. Die Leitungsverluste in einem Kabel mit Widerstand R sind gleich dem Quadrat des Stroms „I“ (I²R = Verlust). Verdoppelt man die Spannung und halbiert den Strom (P = U x I), kann das gleiche Kabel den Strom viermal weiter tragen. Dieses Prinzip gilt sowohl für Gleichstrom- als auch für Wechselstromübertragung. Für die Fernübertragung war es jedoch viel einfacher, Transformatoren einzusetzen, welche die Wechselspannung auf der Erzeugerseite hochsetzten und am anderen Ende mit Transformatoren wieder heruntersetzten. Edison versuchte mit seinem DC-System, unter Verwendung von Generatoren-Sets (ein Gleichstrommotor verbunden mit einem Dynamo, um die Versorgungsspannung nach oben bzw. nach unten zu setzen) dem Wechselstromübertragungs-konzept zu konkurrieren“.

Auch wenn ein Niederspannungs-Gleichstrommotor für die Hochsetzung relativ einfach zu realisieren war, wäre ein Hochspannungs-Gleichstrommotor für die entsprechende Abwärtsstufe nicht so zuverlässig gewesen; zudem brach das System oftmals zusammen. Am Ende verzichtete sogar Edison auf das Gleichstromverteilungskonzept und wechselte ebenfalls auf die Wechselstromverteilung.

Obwohl die meisten Netzsteckdosen einphasig sind, erzeugen Wechselstrom-Kraftwerke drei Phasen, die untereinander um 120° verschoben sind. Der Vorteil davon ist: 3 x 120° = 360°. Mit anderen Worten: Die Phasen heben sich gegenseitig auf, wenn sie mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind.


Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu Gleichstromverteilungsnetzen, bei denen der Strom in den positiven und negativen Kabeln gleich groß ist, folglich beide Leitungen gleichermaßen „massiv“ sein müssen. Ein Wechselstromverteilungsnetz braucht hingegen nur drei Hochleistungsphasenkabel und einen Neutralleiter (mit vergleichbar geringerem Querschnitt), welcher nur erforderlich ist, um den Ungleichgewichtsstrom zu kompensieren, wenn die Lastaufteilung in den drei Phasen nicht genau symmetrisch ist. Wenn man einen Strommast betrachtet, kann man die dicken Stromkabel an den Querträgern sehen sowie einen einzelnen, dünneren Leiter, der über die Spitzen des Masts verläuft. Dies ist der neutrale Rückleiter.Die Erdverbindung dient nur zur Sicherheit; unter normalen Bedingungen führt sie keinen Strom. Wenn ein Strom von einer Phase auf der Erde fl ießt, dann geschieht dies aufgrund einer Störung, und eine Schutzvorrichtung (Sicherung oder Fehlerstromauslöser) sollte den Strom abschalten.

Das folgende, vereinfachte Diagramm zeigt die beschriebene Anordnung, angewendet auf die Straßen in einer Stadt.


Warum drei und nicht zwei Phasen? Nun, in einigen Teilen der USA wird immer noch eine zweiphasige Stromverteilung verwendet (2 x 120VACbei 180°, so dass Geräte mit 240VAC Leistung, wie Öfen und Waschmaschinen, in einem 120V-System verwendet werden können). Der große Vorteil einer asymmetrischen Anzahl der Phasen ist für den Betrieb von Wechselstrommotoren relevant. Es spielt hier keine Rolle, wo der Rotor sitzt, ein dreiphasiger Motor läuft immer in die gleiche Richtung an, und da die Last auf alle drei Phasen gleich verteilt ist, ist kein Neutralleiter erforderlich (L1, L2, L3 und Erde [PE] sind übliche Verbindungen).

Ein Wechselstrommotor mit einer symmetrischen Phasenzahl könnte nicht starten, wenn der Rotor genau über den Polen steht, oder, noch schlimmer, sogar in die falsche Richtung anlaufen. Zusätzlich liefert ein Zweiphasensystem die Leistung mit dem Zweifachen statt des Dreifachen der Grundfrequenz, und diese pulsierende Versorgung muss der Motor durch seine Trägheit ausgleichen, wodurch ein Zweiphasenmotor größer und schwerer wird als ein Dreiphasenmotor mit derselben Leistung.


Der letzte Sargnagel für die Gleichstromverteilung war jedoch die Ausbreitung der elektrischen Beleuchtung. Da immer mehr Häuser, öffentliche Gebäude und Straßen von Gasbeleuchtung auf elektrische Lampen umgestellt wurden, wuchs schnell der Bedarf an elektrischer Energie. Die niedrigeren Verkabelungs-Kosten der dreiphasigen Übertragung waren im Vergleich zu Gleichstromsystemen für die erforderlichen Investitionen in die Elektrifizierung ganzer Städte ausschlaggebend (ein Dreiphasen-System verbraucht 50% mehr Kupfer als ein 2-Phasen-System, liefert jedoch die dreifache Leistung).

Immer leistungsstärkere und größere Generatoren wurden hergestellt, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden. Diese Generatoren waren sehr schwer, und je langsamer sich ein massiver Generator-Rotor drehte, desto weniger Belastung wurde auf die Lager und die mechanische Konstruktion ausgeübt. Aus diesem Grund wurden ursprünglich so viele verschiedene Wechselspannungen verwendet. Ein kleinerer Generator mit einer Drehzahl von 2.500U/min erzeugte Wechselstrom mit einer Frequenz von 42Hz, während ein größerer, der sich nur mit 1.000U/min drehte, einen 16⅔ Hz- Wechselstrom erzeugte (man beachte, dass „eine schöne ganze Zahl“ von Umdrehungen pro Minute häufig eingesetzt wurde, was darauf hindeutete, dass Mechaniker die Generatoren gebaut haben, nicht Elektrotechniker). Während jedoch das Flimmern einer Glühbirne bei 42Hz nicht als sonderlich störend anzusehen ist, war das bei 16⅔Hz sehr wohl der Fall. Das Wechselstromflimmern war noch ausgeprägter bei der Beleuchtung von Theatern und bei Straßen, wo vermehrt Bogenlampen eingesetzt wurden. Übrigens: 16⅔Hz wird von Eisenbahnen immer noch verwendet, da ...