Wechselstromgenerator - Aufbau, Funktion & Einsatz

So funktioniert die elektromagnetische Induktion

• Eine magnetische Wirkung lässt sich nicht nur mit Dauermagneten erzielen. Sie können einen Magneten auch aufbauen, indem Sie elektrischen Strom durch einen Leiter fließen lassen. Schon der Däne Oersted zeigte im Jahr 1820, dass ein stromdurchflossener Leiter von einem Magnetfeld umgeben ist.
• Besonders effektiv ist ein Elektromagnet, wenn der elektrische Leiter eine Spule mit zahlreichen Windungen ist und zusätzlich einen Eisenkern hat. Das Magnetfeld ist dann einem Stabmagneten ähnlich.
• Umgekehrt lassen sich mit äußeren Magnetfeldern Ladungen in Bewegung setzen und so trennen. Wenn Sie einen elektrischen Leiter - im einfachsten Fall ein Stromkabel - durch ein Magnetfeld bewegen, wirkt auf die Elektronen des Leiters die Lorentzkraft.
• Diese Kraft lenkt die elektrischen Ladungen senkrecht zur Bewegungsrichtung ab. Schließen Sie an den Leiterenden ein Spannungsmessgerät an, so wird dieses einen Spannungsstoß registrieren.
• Das Phänomen wird elektromagnetische Induktion genannt. Sie könnten die Erzeugung salopp so formulieren: Bewegung plus Magnetfeld ergibt eine Induktionsspannung. Allerdings darf die Bewegung nicht parallel zu den magnetischen Feldlinien verlaufen.

Von der Induktionsspannung zum Wechselstrom

• Ein Generator erzeugt elektrische Wechselspannung. Dies ist die Spannungsart, die in der elektrischen Energietechnik, also auch in der Haushaltsversorgung, vorherrscht. Bei der Wechselspannung ändert sich der Spannungswert nach Richtung (Polarität) und Größe (Betrag) mit der Zeit.
• Im einfachsten Fall ist der Verlauf der Spannung sinusförmig mit einem Maximalwert von 230 Volt sowie einem periodischen Wechsel von 50 Hertz (entspricht 50 Schwingungen in der Sekunde).
• Derartige Wechselspannungen können Sie als induzierte Spannung erzeugen. Sie müssen bei der Bewegung des Leiters dafür sorgen, dass sich Polung und Größe der Spannung zeitlich ändern. Statt einer linearen Bewegung drehen Sie eine Spule in einem Hufeisenmagneten.
• Schaffen Sie eine Umdrehung in einer Zeit von 0,02 Sekunden, beträgt die Periode der Wechselspannung gerade 50 Hertz. Sie müssen also ganz schön schnell arbeiten.
• Ein Spannungsmesser zeigt bei einer moderaten Drehung eine schwankende Spannung an.

Der Wechselstromgenerator - Aufbau und Funktion

• Mit einem Wechselstromgenerator können Sie elektrische Energie aus anderen Energieformen erzeugen. Es gibt sie in unzähligen Ausführungen, aber alle arbeiten nach demselben Prinzip der Induktion.
• Der Generator benötigt nicht viel mehr als eine durch mechanische Energie in Drehung versetzte Spule sowie einen guten Magneten.
• Die nötige mechanische Energie können Sie zum Beispiel in Form von Wasserkraft (Stausee), Dampf- oder Gasturbinen (Wärmekraftwerk, Kernkraftwerk) dem Generator zur Verfügung stellen. Ein Notstromaggregat ist ein Generator, der mit einem Dieselmotor betrieben wird. Mit ihm können Sie ein Wohnhaus oder eine kleine Fabrik mit Strom versorgen.

Das Prinzip einer drehenden Spule in einem Magneten ist übrigens auch beim Fahrraddynamo verwirklicht. Dieser ist nichts anderes als ein kleiner, effektiver Generator. Einen überaus winzigen Generator enthalten spezielle Armbanduhren. Angetrieben wird er durch eine Schwungmasse, die die Armbewegungen auf eine eingebaute Drehmechanik überträgt.

Pixii und Siemens - ein Blick in die Historie

• Schon ein Jahr nach der Entdeckung der Induktion baute der französische Mechaniker Hippolyte Pixii einen ersten Generator. Mit einer Handkurbel erzeugte er 1832 den ersten Wechselstrom, den er zunächst für elektrische Lampen einsetzte.
• Die weiteren Generatoren erhielten einen Antrieb mit Dampfmaschinen und kamen als Stromquellen zum Beispiel in Leuchttürmen zum Einsatz.
• Allerdings bereitete die Verwendung von Dauermagneten Schwierigkeiten: Man konnte nur Magneten begrenzter Stärke herstellen. Zudem verloren diese Magnete durch die ständigen Erschütterungen schnell ihren Magnetismus.
• Mit dem Problem beschäftigte sich 1866 Werner von Siemens. Ihm war klar, dass er die Dauermagneten durch Elektromagnete ersetzen musste. Er hatte die geniale Idee, zum Betrieb diesen Elektromagneten den Induktionsstrom des Generators selbst zu nutzen.
• Dieser zunächst widersinnig anmutende Plan gelang, weil der Eisenkern jedes Elektromagneten seine magnetische Wirkung nicht völlig verliert, wenn man den Strom abschaltet. Mit diesem Restmagnetismus konnte Siemens den Wechselstromgenerator starten. Zunächst fließt nur ein geringer Strom, der jedoch den Eisenkern etwas stärker magnetisiert. Infolge wird der Induktionsstrom größer.
• Generatoren in modernen Elektrizitätswerken zeigen einen anderen Aufbau. Sie bestehen meist aus zwei Teilen und arbeiten nicht mehr nach dem Siemensprinzip. Den Strom für den Elektromagneten liefert ein kleiner angekoppelter Generator, der als Erregermaschine bezeichnet wird. Die Induktionsspulen des großen Hauptgenerators sind fest montiert, sie werden vom Magnetfeld des rotierenden Elektromagneten durchsetzt.

Generatoren erzeugen von Ihrem Aufbau her Wechselstrom. Sie nutzen aus, dass sich elektrische Leiter, die sich in einem Magnetfeld bewegen oder drehen, periodisch wechselnde Spannung erzeugen. Eine oft gestellte Frage ist, ob es auch einen Gleichstromgenerator gibt. Folgt man dem Prinzip, muss man die Frage verneinen, denn Gleichspannung kann nicht induziert werden. Allerdings können Sie jede Wechselspannung gleichrichten. Dies ist sowohl auf Erzeugerseite mit einem speziell gestalteten Stromwender als auch auf Verbraucherseite beispielsweise mit Halbleiterelementen möglich.