Drehstrom

Bezugssystem

Betrachten wir die zeitlichen Verläufe eines Drehstromsystems bei f = 50Hz bzw. T = 20ms über drei elektrische Perioden. Bisher wurde immer nur eine elektrische Periode dargestellt, ich möchte dieses Muster hier einmal durchbrechen:

Ein Drehstromsystem ist symmetrisch bezüglich der Phasen. Wenn wir zu einem beliebigen Zeitpunkt die Amplituden der drei Ströme addieren, kommt immer der Wert 0 raus. Dazu bietet sich der Zeitpunkt t = 0s an. Der blaue Verlauf liegt auf 0A, der grüne und der rote Verlauf weisen die gleiche Amplitude mit unterschiedlichem Vorzeichen auf. Das können wir auch mathematisch nachvollziehen:

Wenn die Summe der Ströme immer 0 beträgt, dann gibt uns das in der Verschaltung Freiheit. Es ist dann z. B. möglich, die Ströme im „Stern“ zu verschalten.

Die 6 Elektromagneten sind Spulen. Sie werden ab jetzt mit den Schaltsymbolen für Spulen aus der Elektrotechnik beschrieben. Es fließt jeweils ein Strom durch zwei Spulen, die in Reihe geschaltet sind. Die Anordnung der Spulen im Kreis ist für elektrische Maschinen von zentraler Bedeutung. Für ihre elektrische Ansteuerung ist sie egal. Deshalb zeichne ich die Reihenschaltung aus Stromquelle und Spulen so, wie es für das elektrische Verständnis am einfachsten ist.

Am unteren Anschluss wird Strom aus einer Wechselstromquelle in die Spulen eingespeist. Am oberen Knoten gilt die Knotenregel:

Die Knotenregel ist bei Drehstrom immer erfüllt, denn wir haben weiter oben festgestellt, dass die Summe der drei Ströme bei Drehstrom sowieso zu jedem Zeitpunkt 0A beträgt.

Achtung: Das gilt nur bei symmetrischer Belastung, siehe späteres Kapitel!

Also dürfen wir die Ströme an einem Knoten zusammenfassen, ohne dass es Einfluss auf die Amplituden des Stroms hat. Das ist total praktisch. Es fließt zum Zeitpunkt t = 0s der Strom i₃₆ in den Knoten hinein. Der Strom fließt als i₂₄ vollständig wieder aus dem Knoten heraus. Der Strom i₁₄ beträgt 0A. Zu anderen Zeitpunkten teilt sich der Strom am Knoten anders auf.

Drehspannung

Sie kennen Wechselspannung und Sie kennen Drehstrom. Der Weg zur Drehspannung ist nicht weit. Sie verläuft über der Zeit mit der gleichen phasenverschobenen Kurvenform wie der Drehstrom. Die Spannung an einer Steckdose beträgt immer 230V_Eff. Die Spannung ist in „Netz“ (Versorgungsnetz) fest, der Strom veränderlich. An der Steckdose in Ihrer Wohnung gilt:

Umgangssprachlich wird der Effektivwert der Spannung an der Steckdose U = 230V angegeben. Aus den Grundlagen der Elektrotechnik sind Sie es gewohnt, mit Spitzenwerten zu arbeiten. Da der Effektivwert für Leistungsangaben besser geeignet ist als der Spitzenwert, arbeitet man in der Antriebstechnik und der Netz-Versorgungstechnik fast immer mit dem Effektivwert. Siehe zur Theorie dazu auch Spitzenwert und Effektivwert.

In Ihrer Wohnung haben Sie wahrscheinlich auch einen Drehspannungs-Anschluss. Daran wird üblicherweise der Herd mit dem Backofen angeschlossen. Die beiden sind oft die größten Verbraucher elektrischer Leistung in Ihrer Wohnung. Drehspannung besteht aus drei Quellen, die jeweils die Steckdosenspannung bereitstellen. Zwischen der Drehspannung und dem der 230V Steckdosenspannung gibt es folgenden Zusammenhang:

In einem Drehspannungssystem sind drei Spannungsquellen im Stern verschaltet. Das sind in der oberen Abbildung die Quellen U₁, U₂ und U₃. Der Sternpunkt ist diesmal in das Zentrum der Abbildung gerückt worden. Die Quellen weisen alle den Effektivwert U = 230V auf. Diese Spannung wirkt zwischen den Anschlüssen L_X und N. Leiter N hat im Netz (z. B. in Ihrer Wohnung) immer das elektrische Potential 0V. Es ist die elektrische Masse im System.

Die Richtungen der Spannungspfeile an den Quellen links im Bild entspricht der Richtung der Spannungsvektoren im rechten Zeigerdiagramm. Die drei Spannungsquellen sind grafisch um jeweils 120° zueinander gedreht dargestellt. Das bedeutet nicht, dass sie in der Realität so angeordnet sein müssen. Es entspricht nur der Drehung der komplexen Zeiger der Spannungen. Dadurch wird im Schaltplan die Phasenverschiebung der Spannungen zueinander angedeutet.

Ein Drehspannungssystem hat i. A. 5 Anschlüsse. Ein Anschluss hat Erdpotential, er führt normalerweise keinen Strom und ist nur aus Sicherheitsgründen vorhanden (PE). Dieser Anschluss wird in elektrischen Schaltbildern nur selten eingezeichnet. Ich habe ihn weggelassen. Die anderen 4 Anschlüsse sehen Sie in der Grafik oben. Es gibt einen Anschluss in der Mitte (N) und drei Anschlüsse außen (L₁ bis L₃). Der Buchstabe L steht hier für „Leitung“, nicht für die Induktivität wie in der Elektrotechnik. L bezeichnet also einen Anschlusspunkt oder einen Leiter, an den etwas angeschlossen werden kann. Ein Anschlusspunkt ist z. B. einer der Kontakte in einer Steckdose.

Für L₁ bis L₃ werden oft die Buchstaben U, V und W verwendet:

Eine Haushalts-Steckdose weist drei Anschlüsse auf. Einer ist der Sicherheitsanschluss PE, der keine Funktion für die Energieversorgung hat und in der Skizze deshalb weggelassen wird. Die anderen beiden Anschlüsse sind N und einer der drei Anschlüsse L_X. Eine Steckdose ist immer zwischen dem N-Leiter und einem der drei L-Leiter verbaut.

Im Netz wird die Netzspannung vom Kraftwerk vorgegeben. Der Strom stellt sich danach ein, welche Verbraucher angeschlossen sind. Er hängt von der Impedanz der Verbraucher ab. Deshalb wird im Netz immer die Spannung in Form von Quellen vorgegeben. Der Effektivwert und die Phase der Spannung sind immer konstant. Der Strom an einem Verbraucher stellt sich je nach Last ein. Wenn Strom und Spannung gleichzeitig vorhanden sind, dann wirkt elektrische Leistung in Verbrauchern.

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