Abhängig davon, wo man in der Welt unterwegs ist, wird die Netzversorgung aus der Steckdose 50 Hz oder 60 Hz Wechselstrom (AC) mit einer nominalen Spannung von rund 120 Vac bzw. 230 Vac 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 50/60 Hz oder 120/230 Vac als die „richtigen“ Werte für die Stromversorgung definiert und festgelegt?
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.
Abb. 1. 1: Funktionsprinzip eines Generators
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.
Abb. 1.2: Kommutator
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.
Abb. 1. 3: Geteilter Schleifringkommutator
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 Abwärts-Stufe 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.
Abb. 1. 4: Drei-Phasen-Wellenform. Die Summe aller drei Phasen ist immer null.
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.
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.
Das folgende, vereinfachte Diagramm zeigt die beschriebene Anordnung, angewendet auf die Straßen in einer Stadt.
Abb. 1. 5: Darstellung eines Dreiphasen-Energieverteilungssystems. Der Neutralleiter führt keinen Strom, wenn die Last in jeder Phase ausgeglichen (symmetrisch) ist.
Warum drei und nicht zwei Phasen? Nun, in einigen Teilen der USA wird immer noch eine zweiphasige Stromverteilung verwendet (2 x 120 Vac bei 180°, so dass Geräte mit 240 Vac Leistung, wie Öfen und Waschmaschinen, in einem 120 V-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.
Abb. 1.6: Funktionsprinzip eines Drehstrommotors . Wenn jede Phase ihr Maximum erreicht, wird der Rotor um dieses Paar von Wicklungen herumgezogen. Der Rotor folgt dann dem rotierenden Magnetfeld (roter Punkt).
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 2.500 U/min erzeugte Wechselstrom mit einer Frequenz von 42 Hz, während ein größerer, der sich nur mit 1.000 U/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 42 Hz nicht als sonderlich störend anzusehen ist, war das bei 16⅔ Hz sehr wohl der Fall. Das Wechselstromflimmern war noch ausgeprägter bei der Beleuchtung von Theatern und bei Straßen, wo vermehrt Bogenlampen eingesetzt wurden. Übrigens: 16⅔ Hz wird von Eisenbahnen immer noch verwendet, da ein Elektromotor, der sowohl an der Stator-Wicklung als auch an der Rotor-Wicklung mit einem Kommutator ausgestattet ist, entweder mit Gleichstrom oder Wechselstrom bei dieser niedrigen Frequenz betrieben wird.
Die Lösung für Höherfrequenz-Wechselstrom mit niedrigeren Drehzahlen bestand in der Verwendung von Mehrfachpol-Generatoren: Anstelle von zwei Wicklungen konnten vier Wicklungen alternierend in Reihe geschaltet werden. Aus einem Wechselstromzyklus pro Umdrehung würden dann zwei Zyklen erzeugt; demnach konnte für die gleiche Wechselstromfrequenz die Rotorgeschwindigkeit halbiert werden, was eine deutliche Entlastung des Generators zur Folge hatte.
In der Zwischenzeit waren die mechanischen Probleme mit Schleifringen gelöst, indem mehrere Wicklungen auf dem Rotor mit mehreren magnetischen Polen im Stator eingebaut wurden. Dies bedeutete, dass die optimale Drehzahl für die physikalische Größe des Generators gewählt und nahezu jede Stromfrequenz durch Auswahl der geeigneten Anzahl an Rotorwicklungen und Stator-Polen erzeugt werden konnte. Das ursprüngliche Niagara-Falls-Kraftwerk in den USA verwendete 12-polige Generatoren mit niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit (250 U/min), um 25 Hz Wechselstrom zu erzeugen, was jedoch später durch einfaches Umstellen der Wicklungen auf 50 Hz verdoppelt wurde, während die ursprüngliche niedrige Drehzahl beibehalten wurde, die für Wasserturbinen optimal aufeinander abgestimmt war.
Abb. 1. 7 : Beispiel eines mehrpoligen Generators.
Zu dieser Zeit (Mitte der 1850er Jahre) war AEG der führende Hersteller von Elektrogeräten in Europa. Angeblich wurde 50 Hz als Standard-Wechselstromfrequenz in Europa gewählt, weil es eine gerade Anzahl von 100 Spitzen pro Sekunde bedeutete, was wiederum dem deutschen Verständnis entsprach. In Amerika wählte Westinghouse 60 Hz, angeblich, weil Nicola Tesla (welcher seine Wechselstrom-Patente bei Westinghouse lizenzierte) meinte, dass das 50 Hz-Flimmern bei Bogen-Beleuchtungen gerade noch sichtbar wäre, und daher wurde eine etwas höhere Netzfrequenz empfohlen. Ebenso wahrscheinlich war, dass so der nationale Markt vor ausländischer Konkurrenz geschützt wurde. Jedenfalls entschieden kommerzielle Interessen, dass 50 Hz in einigen Regionen und 60 Hz in anderen Regionen schließlich Standard werden sollten.
Abb. 1.8: Wellenformen von 230 Vac / 50 Hz und 120 Vac / 60 Hz.
Die effektive Spannung (gestrichelte Linien [Vrms]) ist die Quadratwurzel des Scheitelwertes [Vpeak]. Mit anderen Worten: Die Gleichspannung, welche den gleichen Heizeffekt als korrespondierende Wechselspannung erzeugen würde.
Protektionismus könnte also der Grund sein, warum die Netzfrequenz in einigen Ländern 50 Hz und in anderen wiederum 60 Hz beträgt. Aber warum nur die beiden unterschiedlichen Versorgungsspannungen von 120 Vac oder 230 Vac? Ursprünglich war 110 bis 120 Vac ein ziemlich universeller Standard (auch im Europa der Vorkriegszeit), da der einflussreiche Edison 110 V für sein DC-Verteilungssystem verwendete. Die Konkurrenz wählte daher auch ähnliche Spannungen, sodass Heiz- oder Beleuchtungsgeräte, die für das Edison-System ausgelegt waren, auch im eigenen Stromversorgungsnetz verwendet werden konnten. Mit steigender Anzahl der Verbraucher pro Haushalt gewannen die I²R-Verluste der 120 V-Wechselstromversorgung an Bedeutung, aber der Reichtum des US-Bürgers der Nachkriegszeit führte dazu, dass viele Kühlschränke, Klimaanlagen und Fernseher mit 120 Vac-Eingang bereits im Einsatz waren und eine Erhöhung der Netzspannung in den USA als unpraktisch empfunden wurde. Europa dagegen war in dieser Zeit im Begriff, sich langsam vom Krieg zu erholen und gewährleistete zugleich, dass die Nachfrage nach elektrischer Energie in Zukunft steigen würde. Man wählte damit eine Verdoppelung der 110/120 Vac-Spannung (220 Vac in Kontinentaleuropa, 240 Vac in Großbritannien), um den Strom zu halbieren und zugleich die Verluste zu vierteln. Schließlich, im Jahr 1994, entschied sich die EU, zwecks Harmonisierung in ganz Europa, für 230 Vac. Dieser Wert liegt innerhalb der in Europa verwendeten 220 Vac- bzw. 240 Vac-Geräte. In der Praxis waren die zulässigen Spannungstoleranzgrenzen groß genug, sodass Großbritannien bei 240 Vac verbleiben und der Rest von Europa die 220 Vac beibehalten konnte. Beide behaupteten aber, dass sie eine Nennspannung von 230 Vac liefern. Eine typisch europäische Lösung für das Problem! In der Zwischenzeit sind alle Kraftwerke auf 230 Vac angeglichen, obwohl mein Kollege in Großbritannien immer noch 240 Vac an seiner Netzsteckdose misst, da er sehr nahe an einer Trafostation wohnt.
Es gibt immer noch einige Länder, die aus verschiedenen Gründen „nicht standardisierte“ Netzspannungen haben. Viele Ex-Commonwealth-Länder haben noch immer die originale britische 240 Vac-Versorgung. Japan hat sich aus Sicherheitsgründen für die Versorgung von 100 Vac entschieden, da die Südinsel noch mit Generatoren von Westinghouse und die Nordinsel von AEG- Generatoren versorgt wurde; deswegen gibt es in Japan noch immer entweder 60 Hz oder 50 Hz – je nachdem, wo man sich auf der Insel befindet. Es wurden hier insgesamt vier Frequenzumrichter-Stationen errichtet, um die Last zwischen den Inseln durch Übertragung von 50 Hz und 60 Hz hin und her zu balancieren. In den USA werden in vielen größeren Gebäuden 115/277 Vac- Dualversorgungssysteme verwendet. Die höhere Spannung wird in erster Linie aus wirtschaftlichen Gründen vorwiegend für die Beleuchtung verwendet. Ungefähr 40 % des Stromverbrauches entfallen nämlich bei großen Bürogebäuden auf die Beleuchtung. Flugzeughersteller hatten sich schnell auf einen 400 Hz-Wechselstromstandard geeinigt, um das Gewicht und die Größe der in Flugzeugen verwendeten Motoren und Transformatoren zu reduzieren.
Abb. 1.9: Karte der einphasigen Netzspannungen und -frequenzen weltweit
Wie bereits erwähnt, besteht der Vorteil von drei Phasen gegenüber einer einzelnen Phase oder zwei 180°-Phasen darin, dass ein mit drei Wicklungen gewickelter Rotor nach jeder Phasenspitze dem Stator automatisch folgt und immer in der gleichen Richtung dreht. Dies macht Drehstrommotoren sehr einfach, robust und zuverlässig und daher in industriellen Automatisierungsanwendungen beliebt. Dreiphasenmotoren brauchen den Neutralleiteranschluss nicht und haben sehr oft nur ein vieradriges Kabel mit den drei Phasen und der Erde. Da kein Nullleiter vorhanden ist, muss eine zusätzliche Stromversorgung zwischen zwei Phasen angeschlossen werden, da Versorgungsanschlüsse zwischen einer Phase und der Erde nicht zulässig sind. Die Phase-zu-Phase-Spannung ist etwas höher als die Phase-zu-Neutral-Spannung, da sich die beiden Phasen zu einer höheren kombinierten Sinuswelle addieren (Abbildung 1.10). Der Spannungs-Multiplikationsfaktor ist √3 oder ungefähr multipliziert mit 1.7– dadurch beträgt die Spannung zwischen zwei 220 Vac-RMS-Einzelphasen ungefähr 380 Vac RMS.
Abb. 1.10: 220 Vac Phase-zu-Phase Wellenform
Ausschlaggebend für einen modernen AC/DC-Netzteilentwickler ist letztendlich, dass ein Universaleingangsspannungsbereich (1-phasig) von 90 bis 264 Vac (inkl. ± 10 % Toleranz) für einen weltweiten Einsatz zu berücksichtigen ist (abgedeckt sind somit: 100/120/230/240 Vac Nominalspannung). Darüber hinaus wäre noch ein erweiterter Spannungsbereich von 90 bis 305 Vac (277 Vac nominal), wie es manchmal in den USA vorkommt, zu berücksichtigen. Die Wechselstrom-Versorgungsfrequenz sollte idealerweise 45 bis 440 Hz betragen, um Versorgungsschwankungen abzudecken.
Tabelle 1.1 : Netzspannungsbereiche.
Fußnote: Moderne Energieverteilung
Heutzutage gibt es Technologien, welche die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom in beide Richtungen bis zu einem sehr hohen Leistungsbereich und einem hohen Wirkungsgrad ermöglichen. Obwohl Wechselspannungen in naher Zukunft Standard bleiben werden, bietet die Rückkehr zur Gleichstromverteilung mehrere Vorteile. Ein Grund ist unsere zunehmende Abhängigkeit von elektrischer Energie. Um die Versorgung zu gewährleisten, erfolgt die Energieverteilung nicht nur mittels Generator zum Verbraucher, sondern durch viele andere Quellen, die mit dem Stromnetz verbunden sind. Es ist effizienter und kostengünstiger, Energie über lange Strecken (> 500 km) unter Verwendung von Hochspannungs-Gleichstrom-Systemen zu übertragen, da es keine Impedanz- Verluste gibt und zusätzlich die Generatoren nicht auf die gleiche Frequenz synchronisiert oder sogar auf die gleiche Spannung gesetzt werden müssen. Beispielsweise verbindet eine Hochspannungs-Gleichspannungsverbindung mit einer Leistung von 2.000 MW England mit Frankreich, um beiden Ländern den Austausch von Energie entsprechend der Inlandsnachfrage zu ermöglichen.
Im Haushalt ermöglicht ein Gleichstromnetz, die Photovoltaik-Solarzellen auf dem Dach mit einer Festbatterie (Pufferspeicher) oder der Batterie in einem Elektroauto zu verbinden. Dies ist eine zuverlässige Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad und geringen Betriebskosten, die netzunabhängig sein kann.
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.
Abb. 1. 1: Funktionsprinzip eines Generators
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.
Abb. 1.2: Kommutator
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.
Abb. 1. 3: Geteilter Schleifringkommutator
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 Abwärts-Stufe 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.
Abb. 1. 4: Drei-Phasen-Wellenform. Die Summe aller drei Phasen ist immer null.
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.
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.
Das folgende, vereinfachte Diagramm zeigt die beschriebene Anordnung, angewendet auf die Straßen in einer Stadt.
Abb. 1. 5: Darstellung eines Dreiphasen-Energieverteilungssystems. Der Neutralleiter führt keinen Strom, wenn die Last in jeder Phase ausgeglichen (symmetrisch) ist.
Warum drei und nicht zwei Phasen? Nun, in einigen Teilen der USA wird immer noch eine zweiphasige Stromverteilung verwendet (2 x 120 Vac bei 180°, so dass Geräte mit 240 Vac Leistung, wie Öfen und Waschmaschinen, in einem 120 V-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.
Abb. 1.6: Funktionsprinzip eines Drehstrommotors . Wenn jede Phase ihr Maximum erreicht, wird der Rotor um dieses Paar von Wicklungen herumgezogen. Der Rotor folgt dann dem rotierenden Magnetfeld (roter Punkt).
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 2.500 U/min erzeugte Wechselstrom mit einer Frequenz von 42 Hz, während ein größerer, der sich nur mit 1.000 U/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 42 Hz nicht als sonderlich störend anzusehen ist, war das bei 16⅔ Hz sehr wohl der Fall. Das Wechselstromflimmern war noch ausgeprägter bei der Beleuchtung von Theatern und bei Straßen, wo vermehrt Bogenlampen eingesetzt wurden. Übrigens: 16⅔ Hz wird von Eisenbahnen immer noch verwendet, da ein Elektromotor, der sowohl an der Stator-Wicklung als auch an der Rotor-Wicklung mit einem Kommutator ausgestattet ist, entweder mit Gleichstrom oder Wechselstrom bei dieser niedrigen Frequenz betrieben wird.
Die Lösung für Höherfrequenz-Wechselstrom mit niedrigeren Drehzahlen bestand in der Verwendung von Mehrfachpol-Generatoren: Anstelle von zwei Wicklungen konnten vier Wicklungen alternierend in Reihe geschaltet werden. Aus einem Wechselstromzyklus pro Umdrehung würden dann zwei Zyklen erzeugt; demnach konnte für die gleiche Wechselstromfrequenz die Rotorgeschwindigkeit halbiert werden, was eine deutliche Entlastung des Generators zur Folge hatte.
In der Zwischenzeit waren die mechanischen Probleme mit Schleifringen gelöst, indem mehrere Wicklungen auf dem Rotor mit mehreren magnetischen Polen im Stator eingebaut wurden. Dies bedeutete, dass die optimale Drehzahl für die physikalische Größe des Generators gewählt und nahezu jede Stromfrequenz durch Auswahl der geeigneten Anzahl an Rotorwicklungen und Stator-Polen erzeugt werden konnte. Das ursprüngliche Niagara-Falls-Kraftwerk in den USA verwendete 12-polige Generatoren mit niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit (250 U/min), um 25 Hz Wechselstrom zu erzeugen, was jedoch später durch einfaches Umstellen der Wicklungen auf 50 Hz verdoppelt wurde, während die ursprüngliche niedrige Drehzahl beibehalten wurde, die für Wasserturbinen optimal aufeinander abgestimmt war.
Abb. 1. 7 : Beispiel eines mehrpoligen Generators.
Zu dieser Zeit (Mitte der 1850er Jahre) war AEG der führende Hersteller von Elektrogeräten in Europa. Angeblich wurde 50 Hz als Standard-Wechselstromfrequenz in Europa gewählt, weil es eine gerade Anzahl von 100 Spitzen pro Sekunde bedeutete, was wiederum dem deutschen Verständnis entsprach. In Amerika wählte Westinghouse 60 Hz, angeblich, weil Nicola Tesla (welcher seine Wechselstrom-Patente bei Westinghouse lizenzierte) meinte, dass das 50 Hz-Flimmern bei Bogen-Beleuchtungen gerade noch sichtbar wäre, und daher wurde eine etwas höhere Netzfrequenz empfohlen. Ebenso wahrscheinlich war, dass so der nationale Markt vor ausländischer Konkurrenz geschützt wurde. Jedenfalls entschieden kommerzielle Interessen, dass 50 Hz in einigen Regionen und 60 Hz in anderen Regionen schließlich Standard werden sollten.
Abb. 1.8: Wellenformen von 230 Vac / 50 Hz und 120 Vac / 60 Hz.
Die effektive Spannung (gestrichelte Linien [Vrms]) ist die Quadratwurzel des Scheitelwertes [Vpeak]. Mit anderen Worten: Die Gleichspannung, welche den gleichen Heizeffekt als korrespondierende Wechselspannung erzeugen würde.
Protektionismus könnte also der Grund sein, warum die Netzfrequenz in einigen Ländern 50 Hz und in anderen wiederum 60 Hz beträgt. Aber warum nur die beiden unterschiedlichen Versorgungsspannungen von 120 Vac oder 230 Vac? Ursprünglich war 110 bis 120 Vac ein ziemlich universeller Standard (auch im Europa der Vorkriegszeit), da der einflussreiche Edison 110 V für sein DC-Verteilungssystem verwendete. Die Konkurrenz wählte daher auch ähnliche Spannungen, sodass Heiz- oder Beleuchtungsgeräte, die für das Edison-System ausgelegt waren, auch im eigenen Stromversorgungsnetz verwendet werden konnten. Mit steigender Anzahl der Verbraucher pro Haushalt gewannen die I²R-Verluste der 120 V-Wechselstromversorgung an Bedeutung, aber der Reichtum des US-Bürgers der Nachkriegszeit führte dazu, dass viele Kühlschränke, Klimaanlagen und Fernseher mit 120 Vac-Eingang bereits im Einsatz waren und eine Erhöhung der Netzspannung in den USA als unpraktisch empfunden wurde. Europa dagegen war in dieser Zeit im Begriff, sich langsam vom Krieg zu erholen und gewährleistete zugleich, dass die Nachfrage nach elektrischer Energie in Zukunft steigen würde. Man wählte damit eine Verdoppelung der 110/120 Vac-Spannung (220 Vac in Kontinentaleuropa, 240 Vac in Großbritannien), um den Strom zu halbieren und zugleich die Verluste zu vierteln. Schließlich, im Jahr 1994, entschied sich die EU, zwecks Harmonisierung in ganz Europa, für 230 Vac. Dieser Wert liegt innerhalb der in Europa verwendeten 220 Vac- bzw. 240 Vac-Geräte. In der Praxis waren die zulässigen Spannungstoleranzgrenzen groß genug, sodass Großbritannien bei 240 Vac verbleiben und der Rest von Europa die 220 Vac beibehalten konnte. Beide behaupteten aber, dass sie eine Nennspannung von 230 Vac liefern. Eine typisch europäische Lösung für das Problem! In der Zwischenzeit sind alle Kraftwerke auf 230 Vac angeglichen, obwohl mein Kollege in Großbritannien immer noch 240 Vac an seiner Netzsteckdose misst, da er sehr nahe an einer Trafostation wohnt.
Es gibt immer noch einige Länder, die aus verschiedenen Gründen „nicht standardisierte“ Netzspannungen haben. Viele Ex-Commonwealth-Länder haben noch immer die originale britische 240 Vac-Versorgung. Japan hat sich aus Sicherheitsgründen für die Versorgung von 100 Vac entschieden, da die Südinsel noch mit Generatoren von Westinghouse und die Nordinsel von AEG- Generatoren versorgt wurde; deswegen gibt es in Japan noch immer entweder 60 Hz oder 50 Hz – je nachdem, wo man sich auf der Insel befindet. Es wurden hier insgesamt vier Frequenzumrichter-Stationen errichtet, um die Last zwischen den Inseln durch Übertragung von 50 Hz und 60 Hz hin und her zu balancieren. In den USA werden in vielen größeren Gebäuden 115/277 Vac- Dualversorgungssysteme verwendet. Die höhere Spannung wird in erster Linie aus wirtschaftlichen Gründen vorwiegend für die Beleuchtung verwendet. Ungefähr 40 % des Stromverbrauches entfallen nämlich bei großen Bürogebäuden auf die Beleuchtung. Flugzeughersteller hatten sich schnell auf einen 400 Hz-Wechselstromstandard geeinigt, um das Gewicht und die Größe der in Flugzeugen verwendeten Motoren und Transformatoren zu reduzieren.
Abb. 1.9: Karte der einphasigen Netzspannungen und -frequenzen weltweit
Wie bereits erwähnt, besteht der Vorteil von drei Phasen gegenüber einer einzelnen Phase oder zwei 180°-Phasen darin, dass ein mit drei Wicklungen gewickelter Rotor nach jeder Phasenspitze dem Stator automatisch folgt und immer in der gleichen Richtung dreht. Dies macht Drehstrommotoren sehr einfach, robust und zuverlässig und daher in industriellen Automatisierungsanwendungen beliebt. Dreiphasenmotoren brauchen den Neutralleiteranschluss nicht und haben sehr oft nur ein vieradriges Kabel mit den drei Phasen und der Erde. Da kein Nullleiter vorhanden ist, muss eine zusätzliche Stromversorgung zwischen zwei Phasen angeschlossen werden, da Versorgungsanschlüsse zwischen einer Phase und der Erde nicht zulässig sind. Die Phase-zu-Phase-Spannung ist etwas höher als die Phase-zu-Neutral-Spannung, da sich die beiden Phasen zu einer höheren kombinierten Sinuswelle addieren (Abbildung 1.10). Der Spannungs-Multiplikationsfaktor ist √3 oder ungefähr multipliziert mit 1.7– dadurch beträgt die Spannung zwischen zwei 220 Vac-RMS-Einzelphasen ungefähr 380 Vac RMS.
Abb. 1.10: 220 Vac Phase-zu-Phase Wellenform
Ausschlaggebend für einen modernen AC/DC-Netzteilentwickler ist letztendlich, dass ein Universaleingangsspannungsbereich (1-phasig) von 90 bis 264 Vac (inkl. ± 10 % Toleranz) für einen weltweiten Einsatz zu berücksichtigen ist (abgedeckt sind somit: 100/120/230/240 Vac Nominalspannung). Darüber hinaus wäre noch ein erweiterter Spannungsbereich von 90 bis 305 Vac (277 Vac nominal), wie es manchmal in den USA vorkommt, zu berücksichtigen. Die Wechselstrom-Versorgungsfrequenz sollte idealerweise 45 bis 440 Hz betragen, um Versorgungsschwankungen abzudecken.
| Nominal Spannung (RMS) | Phase-zu-Neutral | Phase-zu-Phase | |||
|---|---|---|---|---|---|
| RMS (10% Toleranz) | Spitzenspannung | RMS (Nominal) | RMS (10% Toleranz) | Spitzenspannung | |
| 100 VAC | 90-110 V | 141 V | 173 V | 156-190 V | 245 V |
| 120 VAC | 108-132 V | 170 V | 208 V | 187-229 V | 360 V |
| 230 VAC | 207-253 V | 325 V | 400 V | 360-440 V | 693 V |
| 240 VAC | 216-264 V | 340 V | 415 V | 373-457 V | 588 V |
| 277 VAC | 249-305 V | 392 V | 480 V | 432-528 V | 831 V |
Tabelle 1.1 : Netzspannungsbereiche.
Fußnote: Moderne Energieverteilung
Heutzutage gibt es Technologien, welche die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom in beide Richtungen bis zu einem sehr hohen Leistungsbereich und einem hohen Wirkungsgrad ermöglichen. Obwohl Wechselspannungen in naher Zukunft Standard bleiben werden, bietet die Rückkehr zur Gleichstromverteilung mehrere Vorteile. Ein Grund ist unsere zunehmende Abhängigkeit von elektrischer Energie. Um die Versorgung zu gewährleisten, erfolgt die Energieverteilung nicht nur mittels Generator zum Verbraucher, sondern durch viele andere Quellen, die mit dem Stromnetz verbunden sind. Es ist effizienter und kostengünstiger, Energie über lange Strecken (> 500 km) unter Verwendung von Hochspannungs-Gleichstrom-Systemen zu übertragen, da es keine Impedanz- Verluste gibt und zusätzlich die Generatoren nicht auf die gleiche Frequenz synchronisiert oder sogar auf die gleiche Spannung gesetzt werden müssen. Beispielsweise verbindet eine Hochspannungs-Gleichspannungsverbindung mit einer Leistung von 2.000 MW England mit Frankreich, um beiden Ländern den Austausch von Energie entsprechend der Inlandsnachfrage zu ermöglichen.
Im Haushalt ermöglicht ein Gleichstromnetz, die Photovoltaik-Solarzellen auf dem Dach mit einer Festbatterie (Pufferspeicher) oder der Batterie in einem Elektroauto zu verbinden. Dies ist eine zuverlässige Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad und geringen Betriebskosten, die netzunabhängig sein kann.