Frage von emtschki, 32

Wie funktioniert in Generator?

Ich muss ein Physik Referat über u.a. den Generator halten. Physik ist so schon nicht meine stärke aber dann war es auch wirklich schiwerig für mich verständliche Information zu finden. Bis jetzt habe ich das und ich wollte forage ob das stimmt btw wie es weiter geht? danke!

Generator dienen Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Der Generator wurde ursprünglich von Tesla erfunden. Wie vorher schon gesagt: Die Bewegung eines Leiters im Magnetfeld erzeugt eine Spannung. Je schneller der Leiter durch das Magnetfeld bewegt wird umso höher ist die erzeugte Spannung. Bei einem Generator ist eine Kupferspule auf einer drehbaren Achse. Um die Achse herum ist ein Dauermagnet mit Nord und Südpol. Zwischen den zwei Polen ist ein Magnetfeld. Wird die Achse angetrieben so bewegt sich die Spule durch das Magnetfeld und so wird eine Spannung in der Spule induziert. Durch die induzierte Spannung resultiert ein Strom und der wird weitergegeben an was auch immer angeschlossen ist. Um das ganze zu verstärken kann man den Dauermagneten mir einem Elektromagneten austauschen, diese werden von der eigenen Spannung erregt.

Antwort
von PeterKremsner, 11

Wie die Generatoren in Wasserkraftwerken funktionieren hat bit77 schon gut erklärt, ich geh also nur noch auf ein paar Sachen von dir ein:

Der Generator wurde ursprünglich von Tesla erfunden.

Nein, der erste Generator wurde von Hippolyte Pixii gebaut.

Die Bewegung eines Leiters im Magnetfeld erzeugt eine Spannung.

Jein, physikalischen aufgrund der Lorentzkraft richtig.

In der Elektrotechnik geht man aber vom Induktionsgesetz aus U = -deltaPhi/deltat

Es wird also gesagt die Induktionsspannung entspricht der zeitlichen Änderung des Flusses durch eine Fläche. Diese Fläche wird im Allgemeinen von einer Spule aufgespannt. Du musst dir die Spule also als den Rand einer Fläche vorstellen und die Induktionsspannung entspricht, der Änderung des Flusses durch diese Fläche.

Bei einem Generator ist eine Kupferspule auf einer drehbaren Achse.

Wie bit77 schon geschrieben hat ist es in dem Fall eher umgekehrt, also die Spule ist am Stator, der Rotor ist im einfachsten Fall ein Permanentmagnet.

Um das ganze zu verstärken kann man den Dauermagneten mir einem
Elektromagneten austauschen

Das ersetzen der Dauermagneten durch einen Elektromagneten hat andere Gründe.

Durch den Strom im Elektromagnet regelt man die Erregung und somit die Ausgangsspannung des Generator.

Beim Stromnetz haben wir in Europa 50Hz Frequenz, somit muss sich auch der Generator immer mit der selben Geschwindigkeit bewegen, weil man aber mit Dauermagneten und konstanter Drehzahl die Spannung nicht regeln kann nimmt man Elektromagneten.

Es gibt in manchen Bereichen aber auch Generatoren mit Dauermagneten und die Frequenz und Spannungsanpassung wird elektronisch gemacht.

Das ist zB auch bei der Nutzbremse der Fall, da wird ein Elektromotor (welcher Idealerweise mit Dauermagneten aufgebaut ist) als Generator geschalten und die Energie ins Stromnetz zurückgegeben, so funktionieren zB die elektrischen Bremsen bei Zügen, bei Elektroautos nennt man das Rekuperation.

diese werden von der eigenen Spannung
erregt. 

Bei Generatoren ist das normal nicht so, so wie du das beschreibst wäre das ein Gleichstromgenerator in Nebenschluss Schaltung, weil man diese Generatoren aber nicht unter Last anfahren kann und auch sonst schlechtes Betriebsverhalten haben verwendet man die nicht.

Generatoren mit Elektromagneten werden Fremdgespeist, das bedeutet die Spule wird über eine eigene Spannungsquelle versorgt.

Beim Stromnetz ist das so, dass zwar hier ebenfalls das Stromnetz verwendet wird, allerdings geht man davon aus, dass das Netz stabil ist und die Spannung nicht wesentlich vom Betriebszustand meines Generators abhängt.

Zwischen Spannungsquelle und Spule ist noch Elektronik dazwischen, so ist man auch so in der Lage Spannungsschwankungen einfach auszuregeln.

Bei Windkraftwerken sind die Generatoren sogar noch etwas komplizierter aufgebaut, da wird das ganze mit sogenannten doppelt gespeisten Asynchronmaschinen gemacht.

Da ist man durch Frequenzumrichter in der Lage Ausgangsfrequenz und Ausgangsspannung komplett Drehzahlunabhängig zu regeln, entsprechend anders sind auch die Generatoren aufgebaut.

Bei normalen Generatoren egal ob Drehstrom Gleichstrom etc. ist die Erregerwicklung normalerweise einphasig, es gibt also nur eine einzige Wicklung und der Generator wird durch Gleichstrom erregt.

Bei doppelt gespeisten Asynchronmaschinen sind 3 Wicklungen am Rotor, also eine Drehstromwicklung, das hängt im Prinzip mit der Wirkungsweise des Frequenzumrichters zusammen, die Erklärung würde aber zu weit ins Detail gehen.

Antwort
von bit77, 9

Ein Generator dien zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie.

Damit hast Du schon recht, allerdings wird im großtechnischen Maßstab ein Generatoraufbau gewählt, der zwar dem von Dir genannten Prinzip entspricht, jedoch mit dem Unterschied, daß die Erregerspule dreht und die Statorwicklung, an der die Spannung entnommen wird, steht.

Es würde sonst sehr große Schleifkontakte erfordern, um die Spannung des Generators zu entnehmen. Deswegen drehen sich die Magnete. Die wesentlich kleinere Erregerleistung einzuspeißen ist wesentlich einfacher. 

Über die sogenannte Erregerwicklung wird auch die Spannung des Generators geregelt.

Große Generatoren werden mit mehreren Magnetpolen ausgeführt (meist 4 oder 6, in Kraftwerken bis zu 12). Dies bewirkt, das pro Umdrehung mehrer Umpolungen des Magnetfelds stattfinden und hätte den gleichen Effekt wie eine höhere Drehzahl.

Da aber Großgeneratoren Rotordurchmesser von oft mehr als 2 Metern haben, kann man sich vorstellen, welche Fliehkräfte dort bei 3000 U/min wirken. Die 3000 U/min resultieren aus der Frequenz von 50 Hz, die unser Stromnetz hat.

Ein 2-Poliger Synchrongenerator müßte mit 3000min-1 angetrieben werden, um die standard Netzfrequenz von 50 Hertz zu erzeugen. Hätte dieser 4 Magnetpole, wären nur 1500min-1 erforderlich, bei 6 Polen nur 1000min-1.

Großgeneratoren in Wasserkraftwerken haben meist 12 Pole und drehen mit 250min-1. 

Desweiteren haben Generatoren meist 3 Aussenwicklungen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Es entstehen 3 Phasenverschobene Wechselströme, die ein Drehfeld bilden. Somit ist es recht einfach, einen Motor zu realisieren.

Man braucht nur 3 Spulen, die ebenfalls um 120 Grad versetzt sind. Ein in diesem Feld rotierender Magnet würde sich so schnell drehen, wie es die Frequenz vorgibt.

Antwort
von elagtric, 11

Da ist viel wirres drin !

ich biete Dir mal mein gefährliches Halbwissen an :

-Das Tesla das elektrodynamische Prinzip erfunden/entdeckt hat, wage ich zu bezweifeln.

-ein (bewegter) elektrischer Leiter im Magnetfeld induziert Strom, keine Spannung

- nicht die reine Geschwindigkeit, sondern die Änderung in der Feldstärke erzeugt den Induktionsstrom. Ginge auch schnarchlangsam mit entsprechenden Magnteten.

- Das mit dem Aufbau eines Generators kommt ganz gut hin.

- Das mit der Selbsterregung auch.

Ich hatte das ganze damals als Prüfungsthema, mit glatter 1 bestanden. Ist aber auch schon ewig her , ich versuch mich da gerade wieder reinzufinden.

Wichtig ist auch : jeglicher Induktionsstrom wirkt seiner Ursache entgegen.

Stichwort : Wirbelstrombremse.

Ansonsten hast Du das ganze schon recht gut zusammengefasst.

Kommentar von PeterKremsner ,

ein (bewegter) elektrischer Leiter im Magnetfeld induziert Strom, keine Spannung

Nein es wird Spannung induziert wie aus dem Induktionsgesetz U = -dPhi/dt zu entnehmen ist.

Würde Strom induziert werden, würde jeder Transformator im Leerlauf eine, theoretisch, unendlich hohe Ausgangsspannung haben (Stromquelle).

nicht die reine Geschwindigkeit, sondern die Änderung in der Feldstärke erzeugt den Induktionsstrom.

Jein, genau genommen ist es die Änderung des Flusses wie du oben entnehmen kannst.

B = µ*H

und weil B*A = Phi ist, stimmt dieser Zusammenhang auch.

Man muss nur zB in Anisotropen Materialien (µ ist ein Tensor) Aufpassen, da kannst du durchaus eine zeitlich änderliche Feldstärke in Richtung des Flächenvektors der Spule haben aber dennoch keine Induktionsspannung, weil der Vektor der magnetischen Flussdichte normal auf den Flächenvektor steht.

Dieser Faktor ist für den Fragesteller zwar ziemlich unnötig, aber man sollte sich eben einlernen, dass das die Induktion vom zeitlichen Magnetischen Fluss in einer Spule abhängt.

Kommentar von bit77 ,

Wenn man sich den Aufbau eines Generators ansieht, ändert sich ja mit der Geschwindigkeit auch die Geschwindigkeit der Feldstärkeänderung. Von daher könnte man das schon als richtig betrachten.

Kommentar von PeterKremsner ,

Ja das stimmt, allerdings hängt das mit dem Zusammenhang

B = µ*H und Phi = B*A  => Phi = µ*H*A(im einfachen Fall) zusammen.

Das Problem bei der Vorstellung mit der Feldstärkeänderung ist eben, dass es zwar in diesen isotropen Fällen stimmt im allgemeinen Fall ist es aber falsch.

Keine passende Antwort gefunden?

Fragen Sie die Community

Weitere Fragen mit Antworten