Generatoren

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Um die mechanische Leistung einer drehenden Welle in eine elektrische Leistung umzuwandeln wird ein Generator benötigt. Beim Auto wird er auch als Alternator oder früher als Lichtmaschine bezeichnet.

Ob mit einem kleinen Windgenerator oder einem Kernkraftwerk elektrische Energie erzeugt werden soll, das Prinzip ist immer das selbe:

Ein elektrischer Leiter (meistens aus Kupfer) wird durch ein Magnetfeld geschoben. Dieses Magnetfeld erzeugt (induziert) im bewegten Kupferdraht eine Spannung. Verbindet man nun die Enden dieses Leiters über einen elektrischen Widerstand, so fliesst ein Strom. Aus dem Produkt von Strom und Spannung erhält man dann die elektrische Leistung.

Je schneller sich der Leiter im Magnetfeld bewegt (oder je stärker das Magnetfeld ist) desto grösser ist die induziert Spannung. Daraus folgt, dass je höher die Drehzahl vom Generator ist, desto mehr Leistung kann bei gleicher Bauform bezogen werden.

Das erklärt auch auch warum die Generatoren mit tiefer Drehzahl immer so gross und schwer sind. Um auf die gleiche Leitung zu kommen, muss der Rotor einen möglichst grossen Durchmesser haben.

Übrigens, das umgekehrte geht auch: Wenn man durch einen Leiter, welcher sich in einem Magnetfeld befindet, einen Strom speist, möchte der Leiter sich im Magnetfeld bewegen. Dies ist dann das Prinzip vom Motor.

So können viele Motoren auch als Generator genutzt werden, wenn sie richtig betrieben werden. Dabei muss vor allem dem Anfahren des als Generator betriebenen Motors besondere Beachtung geschenkt werden. Wenn keine Permanentmagnete eingesetzt werden, muss irgendwie ein Erregerstrom generiert werden. Wenn es sich um einen Asynchronmotor handelt, muss die Blindleistung zur Verfügung gestellt werden.

Die physikalische Grösse, welche den Generator zum Drehen bringt nennt man Drehmoment welches in Newton-Meter [Nm] gemessen wird. So spritzt z.B. bei einer Peltonturbine ein Wasserstrahl auf die Turbinenschaufel und bewirkt so eine Drehkraft (gemessen in Newton) auf die Schaufel. Über den Hebelarm des Turbinenrad-Radius (gemessen in Meter) wird nun das Drehmoment erzeugt. Ist nun das erzeugte Drehmoment grösser als das Entgegengesetzte Drehmoment, beginnt die Welle zu drehen. Die Drehzahl des Generators wird so hoch, bis das erzeugte und das entgegengesetzte Drehmoment gleich gross sind. Das entgegengesetzte Drehmoment ist abhängig von der Reibung in den Lagern oder Dichtungen von den Magnetfeldern und von der Leistung, welche der Generator abgibt.

Bei Windturbinen ist das sog. Rastmoment von entscheidender Bedeutung. Dieses Gegen-Drehmoment wird primär durch die Permanentmagnete und dem Eisenblech im Stator des Generators erzeugt. Natürlich kommt auch hier die Haftreibung der Lager und Dichtungen hinzu. Je geringer dieses Moment, desto eher beginnt die Windturbine zu drehen.

Wichtige Kenngrössen beim Generator sind auch der maximale Laststrom, die maximale Ausgangsspannung und die maximale Drehzahl (in 1/min).

Der Laststrom durch die Generatorwicklung erzeugt die Wärme im Gehäuse. Damit nun die Temperatur im Generator nicht beliebig hoch ansteigt und die Wicklung oder die Lager zerstört, sollte auch der Kühlung vom Generator Beachtung geschenkt werden. So gesehen ist der maximale Laststrom auch von der Kühlung und der Umgebungstemperatur abhängig. Je besser die Kühlung, desto höher ist der zulässige Laststrom.

Die Höhe der Spannung am Ausgang des Generator ist einerseits abhängig von der Wicklung des Generators, von der Stärke des Magnetfeldes, aber auch von der Drehzahl. Je höher die Drehzahl, desto grösser ist auch die Ausgangsspannung. So sind Generatoren mit grosser Nenndrehzahl kleiner als Generatoren mit kleiner Drehzahl, weil weniger Kupferwindungen benötigt werden.

Mit der Drehzahl möchte man nicht so hoch gehen, weil sonst die Lager schneller ausgewechselt werden müssen. Gerade bei einer Wasserturbine, welche ja 24 Stunden am Tag laufen soll, sollte die Drehzahl nicht höher als 1500 1/min gewählt werden.

Da man bei kleinen Windturbinen auf ein Getriebe verzichten möchte muss ein Generator gefunden werden, welcher mit einer Drehzahl bis ca. 500 1/min arbeitet. Mittlerweile sind auch Generatoren mit tiefer Drehzahl und hoher Ausgangsspannung erhältlich. Diese sind jedoch dann relativ schwer und gross.

Die Leistung auf der Generatorwelle ist im Wesentlichen abhängig von der Drehzahl vom Generator und vom Drehmoment, welches auf die Welle aufgebracht wird.

Die vom Generator abgegebene Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung an den Abgangsklemmen.

Sehr oft sind jedoch die Generator mit einer Drehstromwicklung ausgeführt, d.h. es werden 3 aktive herausgeführt.

Je grösser die Drehzahl beim Generator gewählt werden kann, desto kleiner ist die Bauform bei gleicher Leistungsumsetzung. Deshalb ist in der Regel ein Generator für eine Windturbine viel grösser und schwerer als ein Generator für eine Peltonturbine, obwohl die Leistungsabgabe dieselbe ist. Dies kommt daher, dass ein Windrad meistens eine kleinere Drehzahl hat als eine Freistrahlturbine. Dies ist übrigens beim Elektromotor das Selbe.

Eigentlich würde auch der Gleichstromgenerator einen Wechselstrom erzeugen. Mittels Kohlebürsten wird aber der Strom beim Übergang vom rotierenden auf den festen Teil gleichgerichtet.

Den rotierenden Teil nennt man Rotor, der feste Teil wird Stator genannt. Damit keine Energie für die Erzeugung vom Magnetfeld verschwendet wird, sind die Gleichstromgeneratoren meistens mit Permanentmagneten ausgestattet.

Oft sind die Gleichstromgeneratoren für Picokraftwerke (P>5kW) optimiert um über einen Laderegler direkt eine Batterie zu laden.

Von Maurer Elektromaschinen wurde auch der Versuch unternommen, vom Gleichstromgenerator über einen Wechselrichter Leistung ins öffentliche Netz abzugeben. Da jedoch die Generatoren für rein kapazitive Lasten (Batterie) gebaut wurden, entstand ein zu grosses Kommutatorfeuer. D.h. es entstanden zu starke Funken bei den Kohlenbürsten. Ein direktes Betreiben eines Wechselrichter durch den Gleichstromgenerator ohne Batterie ist deshalb nicht zu empfehlen.

Der Vorteil der Wechselstromgeneratoren ist, dass sie keine Kohlebürsten haben. Denn diese müssen von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden. Wird Gleichstrom benötigt, z.B. zum Laden einer Batterie oder für das Speisen eines Wechselrichters, kann der Wechselstrom durch einen Gleichrichter in Gleichstrom gewandelt werden. Dieser Gleichrichter ist ein unkompliziertes Gerät aus Dioden und Kühlkörper.

Für Wasserturbinen oder Wasserräder, welche 24 Stunden im Einsatz sind, sollte auf jeden Fall ein Wechselstromgenerator eingesetzt werden, da der Verschleiss der Kohlenbürsten beim DC-Generator zu hoch ist. Auch bei Windgeneratoren ist ein AC-Generator zu empfehlen. Bei Demoobjekten, welche nur kurze Zeit im Einsatz stehen, kann durchaus ein DC-Generator (Gleichstromgenerator) verwendet werden.

Oftmals werden auch bei AC-Generatoren bereits die Gleichstromwerte, wie diese nach dem Gleichrichter auftreten, angegeben.

Bei Generatoren für den 24 Stunden Betrieb sollte unbedingt auch darauf geachtet werden, das qualitativ hoch stehende Wellen-Lager verwendet wurden. Diese sollten jedoch nach 5 Jahren präventiv gewechselt werden, bevor ein defektes Lager den Generator zerstört.

Bei den meisten Generatoren dreht sich die Welle mit den Magneten. Aussen herum ist die Wicklung montiert. Diese bleibt stehen.

Beim Nabengenerator ist es gerade umgekehrt. Die Welle bleibt fest stehen und der Aussenteil dreht sich. So kann der Spaltumfang des Generators erhöht werden. Damit kann eine höhere Spannung bei gleicher Drehzahl erreicht werden. Der Nachteil ist, dass die Befestigung dieser Generatoren aufwändiger und unkonventionell ist.

Generatoren werden überall dort eingesetzt, wo die mechanische Leistung in eine elektrische Leistung umgesetzt werden soll.

Da der Rotor der Windturbine nur langsam dreht werden hier Generatoren mit geringer Drehzahl verwendet.

Enorm wichtig ist auch, dass das Anlaufdrehmoment möglichst gering ist, damit der Rotor schon bei geringen Windgeschwindigkeiten zu drehen beginnt. D.h. der Generator darf kein Rastmoment haben, was bei permanent erregten Synchronmaschinen nicht einfach ist.

Die Nennspannung vom Generator wird festgelegt, je nachdem, ob die Windturbine zum Laden von Batterien oder mittels Wechselrichter zur Einspeisung ins öffentliche Netz verwendet werden soll.

Die Generatoren werden oft bei einer Drehzahl von 1500 1/min eingesetzt. Es ist wichtig, auf eine gute Qualität der Lager zu achten, da Wasserturbinen meistens rund um die Uhr im Einsatz sind.

Wasserräder haben eine sehr tiefe Drehzahl. Je niedertouriger der Generator gewählt werden kann, desto weniger muss das Getriebe übersetzen. Dies hat einen grosse Einfluss auf den Wirkungsgrad.