1.9.1 Drehstrom

Ein einfacher Wechselstromgenerator erzeugt einen sinusförmigen Wechselstrom. Hier ist ein sehr einfaches Prinzip eines Wechselstromgenerators abgebildet:

(Bildquelle s.u)

Um Strom über weite Strecken zu transportieren, wird in der Regel "Drehstrom" verwendet. Dazu werden die Spulen in einem Generator so angeordnet, dass drei Wechsestromkreise entstehen, die jeweils um eine drittel Phase, also um gegeneinander verschoben sind.

(Bildquelle s.u)

Der gelbe, der rote und der grüne Vektor addieren sich in jedem Moment zu Null (blaue Linie)
Eigentlich braucht man ja für jeden der drei Wechselstromkreise zwei Leitungen, also insgesamt sechs. Wenn man die drei Wechelströme allerdings so schaltet, dass sie eine Leitung gemeinsam nutzen, dann addieren sich die drei Wechelströme in dieser Leitung zu jedem Zeipunkt zu Null.

Addition der Drehstrom-Phasen mit Zeigern

Wenn man die Schwingungsgleichungen der Spannungen oder der Stromstärken der drei Drehstromgeneratoren als Zeiger darstelt (Zeigerdarstellung siehe hier), dann erhält man das folgende Zeigerdiagramm:

Die Addition der drei Stromkreise mit Zeigern ergibt also eine geschlossene Vektorkette, das Ergebnis ist also der Nullvektor. Wenn man die Leitungen L1, L2 und L3 zusammenführt, erhält man eine Leitung, in der kein Strom fließt.
Das ist gut für den Transport des Stroms. Hier genügen drei sogenannte Außenleiter L1, L2 und L3 um den Wechselstrom zu transportieren. Der gemeinsame "Rückweg" durch den Neutralleiter N kann auch als deutlich dünneres Kabel ausgeführt werden oder in manchen Fällen sogar weggelassen werden. Wenn der Stromverbrauch der Geräte, die an die Außenleiter L1, L2 und L3 angeschlossen sind, gleich ist, dann fließt kein Strom durch den Neutralleiter. Bei einer unsymmetrischen Belastung von L1, L2 und L3 fließt allerdings auch im Neutralleiter N Strom.

Zwei Spannungen aus einer Leitung

Die Haushalte in Deutschland werden mit Drehstrom versorgt. Damit sind zwei unterschiedliche Spannungen möglich:

Zwischen einem der Außenleiter und dem Neutralleiter herrscht in Deutschland eine effektive Spannung von . Das ist der Strom, der aus fast allen unserer Steckdosen kommt.
Für elektrische Herde, Öfen und Kochplattenfelder wird in vielen Fällen Starkstrom verwendet. Hier wird der Strom zwischen zwei der Außenleiter L1, L2 und L3 abgegriffen. Dabei erhält man die Differenz zwischen zwei der Außenleiter L1, L2 und L3. Für die effektive Spannung bedeutet das: .

Im Zeigerdiagramm der beiden Spannungen und sieht das so aus:

Drehstromschaltungen

Sternschaltung

Um Geräte an die kleinere Drehstromspannung anzuschließen, verwendet man die Sternschaltung: Hier wird an allen drei Verbrauchern (hier als Widerstände eingezeichnet) die Spannung zwischen einem der Außenleiter und dem Nulleiter abgegriffen.

Dreiecksschaltung (Starkstrom)

Um Geräte an die größere Drehstromspannung anzuschließen, verwendet man die Dreiecksschaltung: Hier wird an allen drei Verbrauchern (hier als Widerstände eingezeichnet) die Spannung zwischen zwei Außenleitern abgegriffen.

Fazit: Vorteile von Drehstrom

Durch die Rückleitung dreier Stromkreise durch einen einzigen Neutralleiter spart man zwei Stromleitungen.
Es stehen zwei verschieden Spannungen zur Auswahl.

Die Abbildungen der Generatoren oben sind aus Wikipedia übernommen:

Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik12-2:1.9 Wechselstrom