Wechselstromgenerator

Funktion der Induktionsspannung

Die Grundlage für jeden Wechselstromgenerator ist das sogenannte Induktionsgesetz, das 1831 von dem Wissenschaftler Michael Faraday entdeckt wurde. Faraday beobachtete, dass sich die Spannung in einem Leiter – zum Beispiel in einem Stromkabel – ändert, wenn es sich durch ein Magnetfeld bewegt. Grund dafür ist die Lorentzkraft, die auf die Elektronen im Leiter wirkt und sie senkrecht zur Bewegungsrichtung ablenkt. Die dadurch entstehende Spannung wird Induktionsspannung genannt. Erzeugt wird die Induktion allerdings auch umgekehrt, also wenn ein Magnet sich an einem feststehenden Leiter vorbeibewegt. Ein Grundprinzip, das heute im Wechselstromgenerator von Elektrizitätskraftwerken genutzt wird, um Strom zu erzeugen.

Wechselstromgenerator: Der Aufbau

Einen Großteil der heutigen Generatoren basiert auf dem Modell der sogenannten Innenpolmaschine. Das heißt, dass sich die Magneten, die zur Erzeugung von Induktionsspannung benötigt werden, in einem Hohlzylinder drehen. Vom Aufbau her kann man sich das ungefähr wie einen Ventilator vorstellen – mit dem Unterschied, dass sich anstelle der normalen Flüge mehrere Elektromagneten befinden. Da sich dieser Teil der Maschine um die eigene Achse dreht, wird er Rotor genannt. An der Innenseite des Wechselstromgenerators sind außerdem mehrere elektrische Leiter in der Form von Spulen angebracht. Da hier keine Bewegung stattfindet, bezeichnet man diesen Teil des Generators als Stator. Bewegt sich der Rotor nun an dem Stator vorbei, wird in den Spulen die Induktionsspannung erzeugt. Die Frequenz des Wechselstroms ist dabei abhängig von der Drehzahl des Generators und von der Anzahl der magnetischen Polpaare, die sich an dem Rotor befinden.

Wie viel Energie benötigt ein Generator?

Auf den ersten Blick erscheint es unlogisch, dass ein Wechselstromgenerator wie das obige Modell mehr Energie erzeugt, als es verbraucht. Denn immerhin muss der Rotor in der Mitte des Generators durch einen Motor bewegt werden. Dafür benötigt er natürlich Strom. Insgesamt kann ein Wechselstromgenerator jedoch wesentlich mehr Energie erzeugen, als er verbraucht. Grund dafür ist die zusätzliche mechanische Arbeit, die am Generator verrichtet wird, wenn der Rotor sich im Kreis dreht.

Wechselstromgenerator: Funktion des Generators

Natürlich sind die Wechselstromgeneratoren, die heute in Elektrizitätskraftwerken genutzt werden, wesentlich komplexer als das obige Modell. Vor allem der Antrieb des Rotors ist ein anderer. Denn die heute gängige Art der Stromerzeugung basiert auf der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische. Als Beispiel dafür dient ein herkömmliches Kohlekraftwerk. Im Prinzip ist die Funktionsweise ganz einfach: Durch die Verbrennung von Kohle wird Wasser erhitzt, bis der Dampf einen sehr hohen Druck erreicht. Nun wird der Wasserdampf durch mehrere Turbinen geleitet, die so in Bewegung gesetzt werden. Mit diesen Turbinen ist wiederum der Rotor des Wechselstromgenerators verbunden – die Magneten setzen sich in Bewegung und erzeugen die Induktionsspannung in den Spulen des Stators. Die mechanische Energie, die bei der Drehung der Turbinen entsteht, wird als durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Erzeugen Wechselstromgeneratoren Gleichstrom?

Viele Haushaltsgeräte wie etwa Fernseher oder Laptops benötigen Gleichstrom, um problemlos zu funktionieren. In einem Wechselstromgenerator kann dieser Gleichstrom prinzipiell jedoch nicht hergestellt werden, da er auf dem Prinzip der Induktion basiert. Grund dafür ist die Bewegung der Magneten innerhalb des Generators. Da der Strom seine Fließrichtung abhängig zu den Magneten permanent ändert, wird er Wechselstrom genannt. Beim Gleichstrom ist die Fließrichtung hingegen immer dieselbe. Für die Herstellung von Gleichstrom werden deshalb sogenannte Gleichrichterschaltungen benötigt, die in den Netzteilen von allen gängigen Haushaltsgeräten verbaut sind.