Wechselstrommaschinen [1]

Wechselstrommaschinen arbeiten mit Feldmagneten und Anker ohne Kommutator und dienen zur Erzeugung von Wechselströmen (s.d.); vgl. a. Drehstrom und Umformer.

In einer Drahtspule wird stets eine elektromotorische Kraft erzeugt, wenn die Zahl der von der Spule eingeschlossenen Kraftlinien sich ändert (vgl. Induktion, Bd. 5, S. 184). Bei den Maschinen, welche zur Erzeugung elektrischer Ströme dienen, wird nun die Aenderung der von der Spule eingeschlossenen Kraftlinien dadurch bewirkt, daß sich Magnetpole vor der Spule vorbeibewegen. In Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher sich vor den Spulen A, B, C abwechselnd die Nord- und Südpole N und S vorbeibewegen. Betrachten wir z.B. die Spule A in dem dargestellten Augenblick, so umschließt sie das Maximum von Kraftlinien, welche von unten nach oben fließen; bewegen sich die Pole nach rechts, so gelangt der Zwischenraum Z vor die Spule, und es gehen jetzt keine Kraftlinien durch; steht der Südpol S vor der Spule, so umschließt sie wieder ein Maximum, die Kraftlinien gehen aber jetzt von oben nach unten hindurch. Bei der weiteren Bewegung nimmt die Kraftlinienzahl abermals auf Null ab, um endlich wieder, wenn der nächste Nordpol unter der Spule steht, das ursprüngliche Maximum einzuschließen. Um ein klares Bild von dem Kraftlinienverlauf in der Spule zu erhalten, kann man die jeweilige Stellung des Pols als Abszisse, die zugehörige Kraftlinienzahl als Ordinate auftragen, wie dies Fig. 2 zeigt; in I befindet sich der Nordpol unter der Spule, in II der Zwischenraum Z, in III der Südpol, in IV der nächste Zwischenraum, in V der nächste Nordpol. Bei der Weiterbewegung wiederholt sich das Spiel von neuem in genau derselben[891] Weise. Die Formel e = –d N/d t ξ 10-⁸ Volt (vgl. Induktion, Bd. 5, S. 184) liefert die elektromotorische Kraft, die in jedem Augenblick in der Spule erzeugt wird; in dieser Formel bedeutet N die von der Spule zur Zeit t eingeschlossene Kraftlinienzahl, ξ die Anzahl der auf die Spule gewickelten Windungen. Es ist aber d N/d t = tg τ, mithin die elektromotorische Kraft e der Größe tg τ proportional. Demnach kann man aus der Kurve Fig. 2a für den Verlauf der Kraftlinienzahl die Kurve für die elektromotorische Kraft herleiten. So ist im Punkte I tg τ = 0, also e = 0, in II wird tg τ ein Maximum, in III gleich Null, von III ab wird τ ein stumpfer Winkel, also tg τ negativ, demnach auch e, in IV wird e ein negatives Maximum, in V wieder Null, u.s.w. Fig. 2a gibt den Verlauf der elektromotorischen Kraft an. Man erkennt hieraus, daß die elektromotorische Kraft der Größe und Richtung nach veränderlich ist, was im geschlossenen Stromkreise auch von dem zugehörigen Strom gilt. Eine Periode umfaßt die Zeit von 0 bis C. Bewegen sich die Pole noch weiter, so wiederholt sich genau derselbe Vorgang.

Die Magnete sind in der Regel Elektromagnete, und zwar wird der zu ihrer Erregung erforderliche Strom durch eine kleine, direkt mit der Wechselstrommaschine gekuppelte oder durch Riemen angetriebene Gleichstrommaschine erzeugt. Der Strom wird der rotierenden Magnetwicklung durch Schleifringe zugeführt. Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung einer vierpoligen Maschine. Der Wechselstrom wird den Klemmen K K entnommen, während zu den Klemmen + k, – k der Gleichstrom zugeführt wird. Die Spulen sind hier hintereinander geschaltet, so daß die elektromotorische Kraft der ganzen Maschine viermal so groß ist wie die einer Spule. Eine Periode wird vollendet, wenn über der betrachteten Spule wieder ein gleichnamiger Pol steht, das ist nach einer halben Umdrehung. Hätte die Maschine sechs Pole besessen, so wäre nach einer Drittelumdrehung eine Periode vollendet worden; allgemein besitzt die Maschine p Nordpole, so wird eine Periode nach 1 : p Umdrehungen vollendet. Macht das Magnetgestell n Umdrehungen in einer Sekunde, so gibt n p die Anzahl der Perioden pro Sekunde (die Frequenz) an, die in der Regel durch das Zeichen ~ bezeichnet wird; es besteht demnach die Beziehung n p = ~. Die Praxis lehrt, daß zum guten Brennen der Bogenlampen mindestens 40 Perioden erforderlich sind; will man also die Umdrehungszahl n klein halten, so muß die Anzahl der Nordpole p groß gewählt werden. Anstatt die einzelnen Magnetschenkel zu bewickeln, ordnet man die Wicklung auch in einer einzigen Spule an; s. [3], Bd. 2, S. 668.

Eine andre Art von Wechselstrommaschinen ist die, bei welcher gleichnamige Pole aufeinander folgen. Das Schema einer solchen Maschine stellt Fig. 4 dar. In demselben sind N und S Magnetpole, a, a hintereinander geschaltete Spulen; ob sich die Spulen verschieben und die Magnetpole feststehen, oder umgekehrt, ist gleichgültig. Fig. 5 und 5a geben den Kraftlinienverlauf und die elektromotorische Kraft in einer Spule an, wenn sich diese von einem Nordpol zum benachbarten verschiebt, also von I über II nach III gelangt. Man sieht, daß eine Periode vollendet ist, wenn die Spule von I nach III gelangt. Da man aber Spulen hintereinander schalten kann, welche um eine halbe Periode voneinander entfernt sind, so kann die Anzahl der Spulen a doppelt so groß sein wie die Anzahl der Nordpole. Eine derartige Maschine hat zuerst Mordey gebaut. Fig. 6 zeigt den Magneten derselben. Zwischen den Klauen ist die Erregerwicklung deutlich erkennbar. Diese macht beispielsweise die linke Seite zu einem Nordpol, die rechte zu einem Südpol. Die Ankerspulen, welche aus Kupferband bestehen und auf einen Porzellankern gewickelt werden, zeigt Fig. 7. Aus derselben erkennt man, daß 18 Ankerspulen vorhanden sind, während der Magnet (Fig. 6) nur 9 Vorsprünge auf jeder Seite zeigt. Die Ankerspulen stehen still, während der Magnet rotiert. Die Erregerwicklung erhält ihren Strom durch Schleifringe von einer besonderen Gleichstrommaschine. Man hätte, ohne an der Wirkungsweise auch nur das Geringste zu ändern, die Erregerwicklung auch an den Ankerspulen aufhängen und dann der feststehenden Spule den Erregerstrom zuführen können,[892] so daß in diesem Falle nur massive Eisenteile rotiert hätten. Derartige Maschinen führen den Namen Induktormaschinen und wurden früher viel gebaut. Ihr Prinzip erläutern Fig. 8 und 9. Ein Rad Z mit vorspringenden Polen N und S sitzt auf der Welle, während eine Erregerwicklung W (in Fig. 9 weggelassen) an dem gußeisernen Gehäuse M befestigt ist. Schickt man durch die Wicklung W einen Gleichstrom, so erzeugt dieser in dem Rade Z die Pole N und S, gleichgültig, ob das Rad feststeht oder rotiert. Den Polen N und S gegenüber befinden sich, in das Gehäuse eingesetzt, zwei aus Blechen zusammengesetzte Ringe A und B. Sie tragen vorspringende Pole, auf welche die Ankerspulen aufgesetzt werden. Die Zahl der letzteren kann bei jedem Ringe gleich oder doppelt so groß sein wie die Zahl der Pole N bezw. S.

Eine Abart des Wechselstromes bilden die mehrphasigen Wechselströme, von welchen besonders der dreiphasige oder Drehstrom (s.d.) große Verbreitung gefunden hat. Die Maschinen zur Erzeugung mehrphasiger Ströme unterscheiden sich von den einphasigen durch die Wicklung des Ankers; man hat nur nötig, Anker herzustellen, die dreimal so viel Ankerspulen wie Magnetpole besitzen, um eine Drehstrommaschine zu erhalten. Aus Fig. 10 ist zu ersehen, daß in den Spulen A elektromotorische Kräfte erzeugt werden, die um 60° den elektromotorischen Kräften von B und um 120° denen von C vorauseilen. Stellt man wieder die momentanen Werte der elektromotorischen Kraft durch die Ordinaten einer Kurve dar, deren Abszissen die Zeiten sind, welche der Nordpol N gebraucht hat, um von der in Fig. 10 gezeichneten Stellung in die neuen zu gelangen, so erhält man für die in den Spulen A, B, C induzierten elektromotorischen Kräfte die Kurven A, B, C der Fig. 11. Da jedoch, um mit drei Fortleitungen des Stromes auszukommen, die Stern- oder Dreieckschaltung der Spulen gewählt werden muß und diese nur für Ströme gilt, die in der Phase um 120° abstehen, so muß man den Strom in Spule B umkehren, wodurch man anstatt der Kurve B die Kurve B' erhält; die Kurven A, C und B' sind dann um je 120° in der Phase gegen einander verschoben. Bei der Wicklung heißt dies, daß man als Anfang der Spule B nicht den unmittelbaren Nachbar von A, sondern die entferntere Spule zu nehmen hat.

Moderne Drehstromgeneratoren werden meistens mit Loch- oder Nutenankern ausgeführt. In diesem Falle müssen die Spulen so angeordnet werden, daß sie übereinander greifen, wie dies die von Siemens ausgeführte, in Fig. 12 schematisch dargestellte Wicklung für eine achtpolige Maschine zeigt. Der aus dünnen Blechen aufgebaute Anker besitzt am inneren Umfang 24 Nuten zur Aufnahme der Wicklung. Die Nuten haben eine beträchtliche Größe und gestatten daher eine sehr solide Isolation der Wicklung vom Eisenkörper. Bei der Wicklung wird ein von hinten nach vorn durch Nute 1 gehender Draht auf der vorderen Stirnfläche zu der Nute 4 geführt, auf der hinteren Stirnfläche zur Nute 1 zurück, so daß eine geschlossene Schleife entsteht. Diese Wicklungsart wird soviel Mal wiederholt, als Drähte in den Nuten liegen sollen. Ferner wird ein von hinten durch Nute 2 gelegter Draht zur Nute 23 geführt; er geht durch diese Nute und kehrt auf der hinteren Stirnfläche zur Nute 2 zurück; auch dies wird so oft wiederholt wie bei Nute 1 und 4. In gleicher Weise wird eine Spule durch 3 und 6 gelegt, durch 5 und 8, durch 7 und 10 u.s.w. Die Spulen A₁, A₂, A₃, A₄ sind, wo es auf direkte Erzielung hoher Spannung ankommt, hineinander geschaltet, ebenso die Spulen B₁, B₂, B₃, B₄ und die Spulen C₁, C₂, C₃, C₄. Die Enden der drei Ableitungen sind in dem neutralen Punkte vereinigt, die drei Anfänge dagegen zu den drei Klemmen der Maschine geführt. Die Schaltung ist also die als Sternschaltung bekannte. Die Wicklung ist so ausgeführt, daß an den Stirnseiten die Hälfte der Spulen, in Fig. 12 die Spulen A₃, C₃, B₄, näher am Eisenkörper liegen, die übrigen über diese weggewickelt sind. Die Nutenöffnung ist enger als die Nute selbst und wird nach dem Einlegen der Windungen durch einen Holzkeil verschlossen, damit die Wicklung vollkommen festliegt.

Die einphasigen Wechselstrommaschinen unterscheiden sich von den Drehstrommaschinen nur durch die Ankerwicklung. Anstatt in Fig. 12 die Wicklung durch die Löcher 1 und 4 zu ziehen, benutzt man für einen Ankerpol die Löcher 1 und 3, für den benachbarten 4 und 6 u.s.w., wodurch die Löcher 2, 5, 8, 11 u.s.w. freibleiben.

Läuft eine Wechselstrommaschine mit bestimmter Erregung leer, so gibt sie eine elektromotorische Kraft, die als Klemmenspannung gemessen wird. Entnimmt man ihr nun einen Strom, so sinkt die Klemmenspannung sehr bedeutend, namentlich wenn der Strom gegen die [893] Spannung eine Phasenverschiebung besitzt. Der Grund hierfür liegt in dem Spannungsverlust i' w_a. des Ankers, der Schwächung des Magnetfeldes durch das Ankerfeld und der Selbstinduktion des Ankers. Um die Selbstinduktion (die hauptsächlichste Ursache des Spannungsabfalls) klein zu erhalten, verteilt man die Drähte einer Spulenseite auf mehrere Nuten und erhält so eine Zweilochwicklung, wenn man zwei Nuten für eine Spulenseite wählt, eine Dreilochwicklung bei drei Nuten u.s.w. Die Ausführung der Wicklung für eine Dreilochdrehstromwicklung deutet Fig. 13 an. Die Wicklung ist genau wie in Fig. 12 ausgeführt, nur bekommen drei nebeneinander liegende Nuten die gleiche Nummer. Das Schaltungsschema für die drei Phasen ist (vgl. a. Motor, elektrischer, Bd. 6, S. 501):

Die Kurve der elektromotorischen Kraft, die eine solche Maschine bei Verwendung der in Fig. 13 angedeuteten Polschuhe liefert, ist in Fig. 14 für eine halbe Periode durch die schraffierte Fläche dargestellt. Um bei einer Zweilochwicklung eine nahezu sinusförmige Kurve zu erhalten, gibt man dem Polschuh die in Fig. 15 dargestellte Form. Ist T_p die Polteilung, d.i. die Entfernung von Mitte Nordpol bis Mitte Südpol, so soll b_a = ²/₃T_p, b_i = ¹/₃T_p p und δ_a = 1,5δ werden [1].

Ein besonderes Interesse beanspruchen neuerdings die Turboalternatoren, d. s. Wechselstrommaschinen, die von Dampfturbinen unmittelbar angetrieben werden. Wegen der hohen Tourenzahl der letzteren erhalten die Wechselstrommaschinen, entsprechend der oben aufgestellten Gleichung n p = ~ nur sehr wenig Pole (häufig nur zwei). Schwierigkeiten bietet die Konstruktion der rotierenden Teile wegen der großen Zentrifugalkraft, und die Abführung der Wärme, weil die ausstrahlende Oberfläche nur klein ist. Eine Zusammenstellung ausgeführter Turbodynamos findet man in der Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1909, Nr. 26. Anstatt, wie bisher vorausgesetzt wurde, den Magneten, kann man auch den Anker rotieren lassen. Man hat in diesem Falle den Anker mit einer Gleichstromwicklung zu versehen und geeignete Punkte derselben zu Schleifringen zu führen (s. Umformer). In bezug auf Eisenverluste sind derartige Maschinen günstiger als die mit feststehendem Anker, da das Eisengewicht geringer ausfällt. Die Schleifringe aber bilden einen großen Nachteil, denn bei großen Stromstärken fallen sie sehr groß aus, bei hohen Spannungen können sie während des Betriebes nicht bedient werden. Auch macht im letzteren Falle die Isolation der bewegten Wicklung Schwierigkeiten.

Um stets die Leistung eines Elektrizitätswerkes dem jeweiligen Verbrauch in günstiger Weise anpassen zu können, stellt man in den Zentralen statt einer einzigen großen Maschine eine Anzahl kleinerer auf und schaltet sie bei Bedarf parallel. Das Parallelschalten geschieht, indem die neue Maschine zunächst auf annähernd richtige Tourenzahl und Spannung gebracht wird. In dem Augenblick, in welchem der Phasenindikator Phasengleichheit, d.h. Synchronismus anzeigt, kann eingeschaltet werden. Die Belastung geschieht nun durch Regulierung der Antriebskraft. Um also zu erkennen, ob der Synchronismus erreicht ist, bedient man sich des Synchronisators oder Phasenindikators. Dieser besteht aus zwei kleinen Transformatoren, von denen die Primärspule des einen mit den Sammelschienen, die des andern mit den Klemmen der zuzuschaltenden Maschine verbunden sind. Die Sekundärspulen sind hintereinander oder gegeneinander geschaltet und enthalten in ihrem äußeren Stromkreise zwei hintereinander geschaltete Glühlampen (Fig. 16). Solange die Maschinen verschiedene Phasen haben, so lange fluktuieren die Lampen rasch. Nach nahezu erreichter Phasengleichheit hört das Fluktuieren fast auf, und die Lampen brennen längere Zeit ruhig oder gar nicht, je nachdem die sekundären Windungen hintereinander oder gegeneinander geschaltet sind. Um Phasengleichheit zu erzielen, muß man den Regulator der Arbeitsmaschine beeinflussen, was bei den Siemens-Schuckert-Werken durch einen kleinen Gleichstrommotor geschieht, der auf dem Regulator sitzt und das Gegengewicht des Regulators in der einen oder andern Richtung verschiebt, so daß die Maschine entweder langsamer oder schneller läuft. Kleine Tourenänderungen einer belasteten Maschine lassen sich leicht durch Aenderung der Belastung erzielen. Man ließ daher früher häufig die zuzuschaltende Maschine auf einen Belastungswiderstand arbeiten, durch dessen Aenderung die Phasengleichheit erzielt wurde. Auch Wirbelstrombremsen, die auf das Schwungrad der Antriebsmaschine (in diesem Falle meist Gasmotoren) wirken und durch Gleichstrom erregt werden, dienen dem gleichen Zweck.

Sind mehrphasige Generatoren parallel zu schalten, so hat man zu beachten, daß durch den Ankerstrom ein Drehfeld erzeugt wird. Schaltet man daher in zwei Leitungen Phasenlampen (Phasenindikatoren) ein, so brennen diese entweder gleichzeitig hell bezw. dunkel, wenn die Drehrichtung des Feldes mit der Drehrichtung der Maschine zusammenfällt, oder die eine Lampe brennt hell, die andre dunkel, wenn dies nicht der Fall ist. Um die Drehrichtung des Feldes zu ändern, muß man alsdann zwei Leitungen miteinander vertauschen. Es kann dieser Fall nur eintreten, wenn die Verbindungen zum ersten Male geprüft werden, so daß die zweite Lampe später nicht mehr erforderlich ist. Man kann jedoch auch in alle drei Leitungen Lampen einschalten, die bei übereinstimmender Drehrichtung alle gleichzeitig aufleuchten, bei nicht übereinstimmender Drehrichtung abwechselnd hell bezw. dunkel brennen. Stellt man in letzterem Falle die Lampen so auf, daß sie ein Dreieck bilden, so erfolgt das Aufleuchten in[894] einem gewissen Drehfinne, der von der Periodenzahl der zuzuschaltenden Maschine abhängt. Man kann nun aus dem Drehsinn des Aufleuchtens darauf schließen, ob die neue Maschine zu schnell oder zu langsam läuft. Hat sie die richtige Tourenzahl, so steht der Lichtschein still. – An Stelle der drei Lampen wendet man auch drei Spulen an, über denen eine Magnetnadel aufgehängt ist, die bei richtiger Tourenzahl stillsteht, sonst sich aber rechts oder links herum dreht. – Literatur s. unter Wechselstrom.

Holzt.

Fig. 1.

Fig. 2., Fig. 2a., Fig. 3., Fig. 4., Fig. 5., Fig. 5a.

Fig. 6.

Fig. 7.

Fig. 8., Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11.

Fig. 12.

Fig. 13.

Fig. 14., Fig. 15.

Fig. 16.