Komponenten elektrischer Energienetze

Elektrische Energienetze

Wir sprechen von elektrischen Energienetzen, wenn wir uns gegen elektrische Netze aus der Niederspannung abgrenzen wollen. 

Elektrische Energienetze übertragen Leistungen jenseits von 100 kVA, bei Spannungen über 1.000 V. Typischer Weise beginnt das elektrische Energienetz bei einem Synchrongenerator und endet beim Ortsnetztrafo, wo die Mittelspannung auf 0,4 kV heruntertransformiert wird. Vom Ortsnetztrafo aus erfolgt der Anschluss der Haushalte und der Gewerbebetriebe, bei denen vorwiegend 230 V Leiter-Sternspannung zur Versorgung der Elektrogeräte zum Einsatz kommen. Manche Haushaltsgeräte richten den Wechselstrom zu Gleichstrom um, etwa um LED-Leuchten anzuspeisen.

Das Stromnetz auch Elektrizitätsnetz genannt, ist ein System aus miteinander verbundenen elektrischen Leitungen (Freileitungen, Kabelleitungen) , Transformatoren und Schaltanlagen samt zugehörigen Zähl-, Mess- und Schutzeinrichtungen, welches elektrische Energie von den Erzeugern (Generatoren) zu Verbrauchern (Motoren)  transportiert. Ziel ist die Sicherstellung der Versorgung mit elektrischer Energie auf Basis einer wirtschaftlichen, umweltschonenden und zuverlässigen Betriebsführung. Dies erfolgt mit Hilfe von hierarchisch aufgebauten Leittechniksystemen, die Fachleute im Lastverteiler bei deren Arbeit unterstützen.

Das Stromnetz wird als 3-phasen Drehstromsystem (Bahnsysteme mit Einphasenwechselstrom) betrieben, da Gleichstrom bei energietechnischen Anwendungen wesentliche Nachteile bietet, wie keine direkte Transformierbarkeit der Spannungen und keine Nulldurchgänge zum Schalten, so wie bei Wechselgrößen. 

Als Frequenzen kommen in Europa generell 50 Hz in USA 60 Hz und für Bahnstromversorgungen zusätzlich auch 16,7 Hz (bei 15 kV) zum Einsatz (um in der Zeit vor der Erfindung der Leistungselektronik Funkenbildung am Stromwender der Motoren in den Lokomotiven zu reduzieren).

Elektrische Energienetze lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

Elektrische Netze nach der Netzebene

• Netzebene 1: Höchstspannung: 220 / 380 kV; UCTE-Verbundnetz; Überregionales Übertragungsnetz

  • Vom kasachischen Energieversorger KEGOC wird eine Leitung betrieben, die für 1.150 kV und eine Leistung von 5.500 MVA bei einer Leitungslänge von 2.500 km ausgelegt ist. Der Autor dieser Zeilen hat an der Automatisierung dieser Leitung im Rahmen seine Tätigkeit für die Siemens AG Österreich mitgewirkt.

  • In China wird eine Hochspannungs-Gleichstromleitung (HGÜ) betrieben, die für +/- 1.100 kV und eine Leistung von 12.000 MVA bei einer Leitungslänge von 3.300 km ausgelegt ist.

• Netzebene 3: Hochspannung: 60 .. 110 kV; Regionales Übertragungsnetz
• Netzebene 5: Mittelspannung: 6 .. 30 kV; Regionales Verteilnetz und Industrieanlagen
• Netzebene 7: Niederspannung: 230 / 400 V; Netz für Gewerbe und Haushalte

Elektrische Netze nach dem Geschäftsauftrag des Netzbetreiber

• GenCo:  befassen sich mit der Stromerzeugung aus unterschiedlichen Quellen in Großkraftwerken. Dazu zählen in
  • Deutschland: E.ON, RWE, EnBW
  • Österreich: Verbund, EVN, WIEN ENERGIE, TIWAG, KELAG,...
  • Schweiz: Axpo, Alpiq
• TransCo bzw. TSO (Transmission System Operator): Übertragungsnetzbetreiber befassen sich mit dem überregionalen und der länderübergreifenden Energieverteilung, sowie mit der Übergabe-Leistungsfrequenzregelung. 
  • Deutschland: TenneT TSO, 50Herz Transmission, Amprion und die TransnetBW. Diese 4 Akteure betreiben die 4 deutschen Regelzonen
  • Österreich: Austrian Power Grid (APG)
  • Schweiz: Swissgrid
• DistCo bzw. DSO (Distribution System Operator): Verteilnetzbetreiber befassen sich mit der regionalen Energieverteilung indem sie das Verteilnetz betreiben
  • Deutschland: Westnetz, Bayernwerkt, Netze BW, Avacon,..
  • Österreich: Netz Niederösterreich, Wiener Netze, Netz Oberösterreich
  • Schweiz: ewz, IWB, Romande Energie, StWZ, BKW Strom
• Ein großstädtisches Verteilnetz-EVU umfasst größenordnungsmäßig
  • 50 Umspannwerke (Hoch- auf Mittelspannung)
  • 10.000 Ortsnetzstationen (Mittelspannung auf Niederspannung)
  • 250.000 Netzanschlüsse
  • 1.500.000 Stromzähler
  • 10.000 km Mittelspannungskabel
  • 10.000 GWH/Jahr Energie
  • 2.000 MW Netz-Höchstlast

Elektrische Netze nach ihrer physikalischen Aufgabe

Man unterscheidet bei elektrischen Energienetzen zwischen Erzeugung, Transport und Verteilung.

• Erzeugung
  Da die Klemmenspannung von Generatoren im Bereich von 10 kV ... 20 kV liegt, wird im zum Kraftwerk gehörenden Umspannwerk die Spannung auf Hochspannung für das Transportnetz transformiert. Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie kann zentral (Kraftwerk) oder dezentral (Windkraftanlagen, PV-Anlagen) erfolgen.
• Verteilung
  Am Ort der Verbraucher wird die Spannung hingegen im Zuge des Verteilnetzes in Umspannwerken (Hochspannung auf Mittelspannung) sowie in der Ortsnetzstation (Mittelspannung auf 0,4 kV) wieder heruntertransformiert. 
• Transport
  Dazwischen erfolgt der verlustarme Transport über Freileitungen und Kabel mit hoher Spannung (und entsprechend niedrigem Strom). Man spricht von einem Netz, weil die Stellen, in denen elektrische Energie ins Netz eingespeist wird, mit den Entnahmestellen über verschiedene Netztopologien (Strahlen-, Ring-, und Maschennetz) verbunden sind und zwar über 
  • Entfernungen von wenigen Metern, mittels Stromschienen,
  • bei längeren Entfernungen, mittels Freileitungen und Kabelleitungen
  • über Schaltanlagen, diese verfügen im Gegensatz zu Umspannwerken über keine Trafos

Elektrische Netze vor bzw. nach der Energiewende

•  Traditionelles elektrisches Energienetz vor der Energiewende
  Traditionelle elektrische Energienetze sind charakterisiert durch
  • eine zentralisierte Energieerzeugung mittels einer überschaubare Anzahl an Kraftwerken mit einer Einspeisung größer bzw. deutlich größer als 20 MW.
  • der Energiefluss ist unidirektional vom Kraftwerk zum Verbraucher und die Erzeugung folgt der Last. Dh auf Grund von Lastprognosen werden Kraftwerksfahrpläne erstellt, welche die Erzeugung mittelfristig vorgeben. Abweichungen vom Fahrplan werden ausgeregelt.
  • die möglichen Netzzustände sind bekannt und basieren auf Erfahrungen.
  • nationale Übertragungsnetze werden zur Steigerung der Netzstabilität und zum Energiehandel zu einem großen Verbundnetz – in Zentraleuropa dem UCTE Netz zusammengeschlossen.
    • Die 3 großen europäischen Verbundnetze UCTE, NORDEL und das russische IPS/UPS können nur mittels Hochspannungsgleichstromübertragungen HGÜ zusammengeschlossen werden, da sie zwar alle 50 Hz als Frequenz verwenden, aber unterschiedliche Algorithmen zur Ausregelung von unvermeidlichen Frequenzschwankungen haben.
    • Da alle 3 Verbundnetze auf einer Frequenz von 50 Hz basieren, ist es  alternativ auch möglich, Inseln mit einem Erzeugungsüberschuss oder mit einem Verbraucherüberschuss dem anderen Verbundnetz temporär exklusiv zuzuschalten und so ohne Kopplung der Verbundnetze Energiehandel zu betreiben.
• Die Energiewende
  Im Rahmen der sogenannten Energiewende, also dem Umstieg von nicht nachhaltig genutzten fossilen Energieträgern und von Kernenergie, auf nachhaltige Energieversorgung mittels erneuerbarer Energien und einer Steigerung der Energieeffizienz, erfolgt eine Transformation des Elektrizitätsversorgungssystems. Ob Kernenergie ein "nachhaltiger" Energieträger ist, also umweltverträglich, klimafreundlich, ressourcenschonend, langfristig verfügbar und gesellschaftlich akzeptiert ist, wird innerhalb der EU unterschiedlich bewertet. Das ist eine Frage, wie man die ungelöste Endlagerung von radioaktiven Abfall und das potentiell katastrophale Unfallrisiko einschätzt.
  • Von besonderer Bedeutung ist dabei die Integration erneuerbarer ("renewable") und räumlich weit verteilter Energie ("distributed energy resources",  "DER"). 
    • Die Steigerung erneuerbarer Energien (Wasserkraft, Windkraft, Photovoltaik, Biomasse, Geothermie) erfolgt neben bzw. auf Grund des hohen Ausbaugrades der Wasserkraft vorwiegend über
      • Wasserkraft- und Windenergieanlagen, die zu 50% auf der Hochspannung - bzw. zu 50% Mittelspannung einspeisen und über
      • Photovoltaik, die vorwiegend, ca. 80%  auf der Niederspannung  und nur in geringem Umfang von ca. 20% auf der Mittelspannung  einspeisen.
  • Damit einher gehen u.a. folgende neue technische Herausforderungen gegenüber dem traditionellen Energienetz:
    • Sprunghafte Änderungen in der Erzeugung durch Erneuerbare:
      • +830 MW bzw. 1,1 GW/h innerhalb von 45 Min bei Winderzeugung in Österreich (24.06.2013). Wenn die Erzeugung ungleich dem Bedarf ist, kann dies zu Problemen in der Frequenzhaltung führen, wenn es zu geringe Regelreserven bei den TSOs gibt.
    • Speicherung von elektrischer Energie
      • dafür sind zwingend erforderlich: Batteriespeicher, Power-to-Gas,..
    • Spannungsanhebung im Niederspannungsnetz zufolge zunehmender Einspeisung durch Photovoltaikanlagen
      • Ohne dezentrale Einspeisung sinkt die Spannung im Verlauf der Leitung vom Trafo zum Verbraucher zunehmend ab und kann im Extremfall den Grenzwert vom unteren Spannungsband verletzen.  Durch regelbare Transformatoren in den Umspannwerken und durch Längsregler wird diesem Spannungsabfall durch Spannungserhöhung am Anfang der Leitung entgegengewirkt.
      • Mit zunehmender dezentraler Einspeisung, in der Praxis vorwiegend durch Photovoltaikanlagen, kommt es speziell in verbrauchsarmen Zeiten, zu einer im Verlauf der Leitung vom Trafo zum Verbraucher hin ansteigenden Spannung, die im Extremfall den Grenzwert vom oberen Spannungsband verletzt.
      • Gegenmaßnahmen sind der Netzausbau, der teuer ist, die Spannungsregelung über Regeltransformator, Längsregler oder Batteriepufferung und eine situative Einspeise-Leistungsbegrenzung
• Modernes elektrisches Energienetz
  Moderne elektrische Energienetze sind charakterisiert durch
  • Neben der zentralen Energieerzeugung in Kraftwerken erfolgt zunehmend mehr dezentrale Erzeugung und lokale Speicherung
  • Integration von Micro Grids in das Verteilnetz
  • Hochstrombezieher (Schnellladesäulen) zufolge Elektro-Mobilität
  • Bidirektionaler Energiefluss, Verbraucher können Erzeuger werden, Rückspeisung bis in die Höchstspannung (380 kV Netz)
  • Last folgt der Erzeugung: Demand Side Management hat als Ziel, die Last / Verbraucher an die erneuerbare Erzeugung zu koppeln; Kurzfristige wetterbedingte Erzeugungsschwankungen stellen eine Herausforderung dar.
  • Netzzustände viel dynamischer, daher macht eine Netzautomatisierung der Mittel- und Niederspannung in Ortsnetzstationen zunehmend mehr Sinn
  • Energiehandel mittels „Intraday Fahrplänen“ (Vorlaufzeit 45 Min) und „day ahead Fahrplänen“ (am Vortag angemeldete Handelsgeschäfte). Der steigende Anteil von intraday Fahrplänen erfordert Neuberechnung der Netzsicherheit nicht mehr wie traditionell 1 x pro Tag, sondern laufend.
  • Teilnahme einer großen Anzahl an Marktteilnehmern an den Auktionen zur
    • Bereitstellung von Primärregelleistung (PRL) (innerhalb von 30 Sekunden für mindestens 15 Minuten verfügbar.
    • Bereitstellung von (mindestens 5MW) Sekundärregelleistung (SRL) (innerhalb von 5 Minuten) für mindestens 1 Stunde verfügbar.

Qualitätskriterien elektrischer Energienetze

Elektrische Energienetze sind Teil der kritischen Infrastruktur eines Landes und von zentraler Bedeutung für viele Bereiche der Wirtschaft und der Lebensqualität der Einwohner. 

Versorgungsqualität

Die Versorgungsqualität einer elektrischen Energieversorgung umfasst die Bereiche

• Versorgungszuverlässigkeit: Unter Versorgungszuverlässigkeit versteht man die Gewährleistung der Energielieferung, also das Ausbleiben von Versorgungsunterbrechungen. Wichtige Kennzahlen sind SAIDI, SAIFI und ASIDI
• Spannungsqualität: Unter Spannungsqualität versteht man das Einhalten von den in einem sogenannten Grid Code festgelegen Referenzwertesatzes zu den in der EN 50160 definierten Parameter. Ein Wert der stark in der Verantwortung des Netzbetreibers liegt.
• Stromqualität: Unter Stromqualität versteht man den netzrückwirkungsfreien Betrieb von elektrischen Geräten oder Anlagen. Ein Wert, der stark in der Verantwortung des Geräteherstellers bzw. Gerätebetreibers liegt.
• Frequenzhaltung: Die Frequenzhaltung erfolgt durch die sogenannte Übergabeleistungs-Frequenzregelung und bezieht sich auf die Frequenz der eigenen Regelzone zu Regelzonen des umgebenden UCTE Verbundnetzes
• Servicequalität: Servicequalität, die ein Netzbetreiber seinen Kunden im Geschäftsverkehr liefert, umfasst Aspekte wie Schnelligkeit, Pünktlichkeit, Preistransparenz, Kompetenz, Einhaltung der bilateralen Verträge

Versorgungszuverlässigkeit

Ehe wir uns der Versorgungszuverlässigkeit zuwenden, betrachten wir die Ursachen von Versorgungsunterbrechungen.
Quelle: e-control.at für Österreich – 2015

Ursachen von Versorgungsunterbrechungen

• 48,9% sind geplante Versorgungsunterbrechungen
• 16,96% haben atmosphärische Einwirkungen als Ursache
• 10,77% haben fremdes Einwirken als Ursache
• 14,48% werden durch den Netzbetreiber selbst verursacht
• 7,33% sind durch regional außergewöhnliche Ereignisse verursacht
• 1,56% gehen auf Rückwirkungen anderer Netze zurück

Ursachen menschlichen Fehlverhaltens bei der Bedienung elektrischer Anlagen

• Unachtsamkeit
• Mangelnde Ausbildung
• Schlampigkeit
• Fehlbedienung
• Sabotage

Unter Versorgungszuverlässigkeit versteht man die Gewährleistung der Energielieferung, also das Ausbleiben von Versorgungsunterbrechungen. Wichtige Kennzahlen sind

SAIDI

die durchschnittliche Nichtverfügbarkeit von der Elektrizitätsversorgung pro Kunde, in Minuten
\(SAIDI = \dfrac{{\sum\limits_i {{n_i} \cdot {t_i}} }}{N}\)
mit

• n .. Anzahl der unterbrochenen Kunden je Anlassfall
• t .. Dauer der Unterbrechung je Anlassfall in Minuten
• N .. Gesamtzahl der Kunden

Werte für Österreich – 2015: (Quelle e-control.at)

• SAIDI = 42,31 Minuten für geplante und ungeplante, aber ohne regional außergewöhnliche Ereignisse
• SAIDI = 27,18 Minuten für ungeplante, aber ohne regional außergewöhnliche Ereignisse
• Die Ausfalldauer ist für ländliche Kunden drei Mal so hoch wie für städtische Kunden

SAIFI

die durchschnittliche Häufigkeit von Versorgungsunterbrechungen pro Kunde
\(SAIFI = \dfrac{{\sum\limits_i {{n_i}} }}{N}\)
mit

• n .. Anzahl der unterbrochenen Kunden je Anlassfall
• N .. Gesamtzahl der Kunden

Werte für Österreich – 2015: (Quelle e-control.at)

• SAIFI =0,67 für geplante, ungeplante und mit regional außergewöhnlichen Ereignissen

ASIDI

die durchschnittliche Nichtverfügbarkeit von der Elektrizitätsversorgung, bezogen auf die installierte Nennscheinleistung der Transformatoren, in Minuten
\(ASIDI = \dfrac{{\sum\limits_i {{I_i} \cdot {t_i}} }}{{{L_S}}}\) 
mit

• I … unterbrochene Scheinleistung je Anlassfall in kVA
• t .. Dauer der Unterbrechung im Anlassfall in Minuten
• L .. gesamte installierte Scheinleistung in kVA

Werte für Österreich – 2015: (Quelle e-control.at)

• ASIDI = 39,50 Minuten für geplante und ungeplante, aber ohne regional außergewöhnliche Ereignisse

Spannungsqualität

Vom EVU wird dem Haushalt eine Netzspannung von 230/400 V, +/- 10%, mit einer Frequenz von 50 Hz zur Verfügung gestellt. Die EN 50160 definiert eine Reihe an Eigenschaften, die Spannung haben kann. Dazu gehören

• Frequenz
• Flicker, diese umfassen langsame und schnelle Spannungsänderungen
• Spannungsunsymmetrie (Gegen- zu Mitsystem)
• Spannungseinbrüche (Voltage Dips, Short Interruptions, Long Interruptions, Voltage Swells und Transiente Spannungen (Außenleiter gegen Erde)
• Zwischenharmonische Spannungen
• Signalspannungen (Trägerfrequenzanlagen - Rundsteuerung)
• Oberschwingungsspannungen (bis zur 25. / 40. Harmonischen)

Die Einhaltung der Spannungsqualität wir mit sogenannten PQ-Recordern (PQ = Power Quality) aufgezeichnet und anschließend wird mit einer speziellen Software ausgewertet, ob die in einem sogenannten Grid Code vorgegebenen Grenzwerte je Parameter eingehalten wurden.

Frequenzhaltung durch Übergabeleistungs-Frequenzregelung im UCTE Verbundnetz

Die Organisation von Kraftwerksreserven für die Kompensation von unplanbaren Bedarfs- bzw. Erzeugungsschwankungen, wie etwa Kraftwerksausfällen erfolgt gemäß dem nachfolgenden Regelungskonzept:

• Primärregelung PRL (Sekundenreserve – Bewegungsenergie rotierender Massen):
  • Trigger ist die Abweichung von der Sollfrequenz um mindestens 20 mHz.
  • Bereitstellung von Primärregelleistung (PRL) innerhalb von 30 Sekunden für mindestens 15 Minuten verfügbar.
  • Eine „P von f“ Regelung, also ist die Leistungserbringung frequenzabhängig zwischen 49,99 .. 49,8 Hz bzw. 50,01 .. 50,2 Hz, ohne Abruf durch Übertragungsnetzbetreiber.
  • Maximale Aktivierung bei Abweichung von 200 mHz. Muss spätestens 30 Sekunden nach dem Trigger erreicht sein und für mindestens 30 Minuten zur Verfügung stehen.
  • Erfolgt durch den Einsatz von Turbinenreglern in den Kraftwerken und ohne kraftwerksübergreifende Koordination. Alle Generatoren im gesamten Verbundnetz beteiligen sich solidarisch.
  • Vergütet werden keine Arbeitspreise für die anfallenden Energiekosten, sondern nur Leistungspreise für die Bereitstellung der Sekundenreserve, da davon ausgegangen wird, dass sich die ausgetauschten Energiemengen im Mittel für jede Regelzone ausgleicht.
  • Die Primärregelung ist nicht in der Lage, die Frequenz auf 50 Hz auszuregeln.
  • Über regelzonenübergreifende Übergabeleitungen wird physikalisch Energie in das / aus dem betroffenen Partnernetz transportiert.
• Sekundärregelung SRL (Sekundärreserve) Bereitstellung von (mindestens 5MW)
  • Sekundärregelleistung (SRL) innerhalb von 5 Minuten für mindestens 1 Stunde verfügbar, nach Vorgabe durch Leitwarte des Übertragungsnetzbetreibers bzw. dessen Leistungsfrequenzreglers.
  • Wird typisch durch Pumpspeicherkraftwerke, Gasturbinen oder virtuelle Kraftwerke (Biogas, Blockheizkraftwerke) erbracht.
  • Abruf erfolgt durch kontinuierliche Vorgabe eines Leistungssollwerts durch Regelzonenführer an Kraftwerksbetreiber. In die Vorgabe wird der Leistungsfluss an den Kuppelstellen der Netze und die aktuelle Frequenz mit einbezogen.
  • Vergütet werden Leistungspreis und Arbeitspreis
  • Ziel ist die kurzfristige Entlastung der Primärregelung. Die gesamte Regelleistung muss binnen 5 Minuten erbracht werden können. Sie löst die Primärregelung ab, damit wird folgendes erreicht:
    • nur mehr die betroffenen Regelzone erbringt die Ausgleichsenergie
    • die Ausgleichsenergie wird auf die Planwerte zurück geführt
    • die Frequenzabweichung kann vollständig ausgeregelt werden.
    • Entlastung der Primärregel-Kraftwerke
• Tertiärregelung TRL (Minutenreserve) erfolgt binnen 15 Minuten durch Pumpspeicher- und Gasturbinenkraftwerke.
  • Zuschaltung erfolgt nicht automatisch, sondern manuell. 
  • Sie löst die Sekundärregelung auf Basis einer wirtschaftlichen Optimierung der Erzeugungskosten ab.
  • Vergütet wird der Arbeitspreis
• Quartärregelung: Dient zur Rückführung von Fehlern > +/- 20 Sekunden bei Synchronuhren zufolge von Netzfrequenzabweichungen gegenüber der Weltzeit UTC.

Zur Teilnahme an der PRL, SRL, oder TRL muss man sich als Anbieter qualifizieren und über einen Vertrag mit dem jeweiligen Regelzonenführer verfügen. In Österreich erfolgen die Ausschreibungen über das Tendering and Trading System der APG. Das Ausschreibungsvolumen in Österreich beträgt ca. +/- 50 MW für die PRL und +/- 200 MW für die SRL bzw. TRL

Die Vergütung erfolgt nach 2 Kriterien:

• Leistungspreis: Preis für die vertraglich zugesagte Regelleistung, unabhängig davon ob diese abgerufen wurde oder nicht.
• Arbeitspreis: Preis für die tatsächlich abgerufene Energie (als Integral aus der Regelleistung und der Abrufdauer).

Netzleittechnik

Netzleittechnik als Mensch - Maschine - System

Die Netzleittechnik befasst sich mit einem Mensch - Maschine-System, welches auf den Betrieb elektrischer Energienetze ausgerichtet ist. Aus ergonomischer Sicht hat sie zwei Nahtstellen,

• eine zum Prozess
• eine zum betriebsführenden Menschen (Dispatcher, Operator).

Prozesse im Sinne der Elektro-Energietechnik

In der Elektroenergietechnik versteht man unter einem Prozess die Gesamtheit der aufeinander einwirkenden Vorgänge, durch die elektrische Energie in einem System transportiert, gespeichert oder umgeformt wird. Durch Automatisierungstechnik wird die Erfassung des Zustands eines dynamisch verlaufenden Prozesses und dessen gezielter Beeinflussung erreicht, sodass vorgegebene Aufgaben bzw. Funktionen teilweise oder sogar ganz ohne Mitwirkung von Menschen selbsttätig bestimmungsgemäß erfüllt werden.

Ziele dieser Automatisierung sind Arbeitserleichterung, Beherrschung komplexer Prozesse und von Prozessen mit großen Datenmengen oder von Prozessen mit geringen Reaktionszeiten, Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch Vermeidung von Stillständen und der Minimierung von Ressourcenverbrauch, Erhöhung der Sicherheit und der Schaffung humaner Arbeitsbedingungen sowie die Erhöhung der Produktqualität.

Die Entscheidung für oder gegen Automatisierung erfolgt in der Regel auf Basis der Rentabilität, ausgedrückt etwa durch den Return of Investment (RoI), welcher der Quotient aus Gewinn und eingesetztem Gesamtkapital ist.

Durch die Einwirkung auf den Prozess über die Automatisierungstechnik versucht der Mensch eine von außen oder durch sich selbst gestellte Aufgabenstellung zu verwirklichen. Dazu bildet er Teilaufgaben und versucht diese simultan oder sequentiell durchzuführen. In Form einer Rückkoppelung wird die aktuelle Aufgabenerfüllung mit der Aufgabenstellung verglichen und über einen erneuten Handlungsbedarf entschieden.

Ein wichtiger Aspekt für eine wirtschaftliche Betriebsführung ist die Fernsteuerung von Betriebsmitteln. Aus der Sicht des Dispatcher sind die Verlässlichkeit der eingehenden Daten und der Datenvorverarbeitung, sowie die  Verfügbarkeit der Kommunikation vom und zum Prozess von höchster Bedeutung. Neben voll automatisierten Aufgaben werden dennoch viele Entscheidungen von Menschen getroffen und alle Entscheidungen von Menschen verantwortet. Die Güte des Gesamtsystems wird einerseits am objektiven Grad der Aufgabenerfüllung und andererseits an der subjektiv erlebten Beanspruchung des Menschen gemessen.

4 schichtiges Leittechnik-Ebenenmodel

Da sich elektrische Netze über große Entfernungen erstrecken, und zur Lösung der Betriebsführungsaufgaben ein Überblick über statische Zustände und dynamische Vorgänge im gesamten Netz erforderlich sind, werden Leittechniksysteme hierarchisch aufgebaut. Ziel dieser Arbeitsteilung ist es, entkoppelte Arbeitsfelder zu schaffen, bei Ausfall des übergeordneten Systems durch das unterlagerte System weiterhin den Prozess führen zu können, sowie die verbleibenden Kopplungen zun anderen Systemen ideal zu gestalten.

• Netzleitebene
  dient der zentralen stationsübergreifenden Betriebsführung mehrerer Kraftwerke und vieler Umspannwerke, samt dem Transportnetz dazwischen
• Stationsleitebene
  zur lokalen aber feldübergreifenden Betriebsführung der jeweiligen Station (Kraftwerk, Umspannwerk, Schaltanlage). Dazu bedient man sich einer lokalen Stationswarte, welche über ein Leittechnik-Zentralgerät mit den lokalen Feldern einerseits und der übergeordneten Netzleitebene andererseits verbunden sind.
• Feldebene
  ausgestattet mit Sensoren und Aktuatoren für einzelne Felder, wie Leitung, Trafo, Eigenbedarf, Längskupplung, Querkupplung, Messfelder, ..., die ihrerseits aus mehreren Geräten, wie Leistungsschalter, Trenner, Trafo, Erder, Strom-bzw. Spannungswandler, Schutzgeräte … bestehen.
• Geräte-/Prozessebene
  umfasst die primärtechnischen Bauelemente wie Trenner, Leistungsschalter, Trafo, … Von den Geräten werden über Sensoren und Wandler bzw. NCITs (nicht-konventionelle Messwandler) samt Merging Units (Schnittstellen zur Prozessanbindung) die Messwerte abgegriffen. Befehle und Sollwerte werden an die Aktuatoren an die Geräte vorgegeben.
• Fernwirktechnik verbindet die 4 Ebenen
  Auf Grund der großen räumlichen Entfernungen, werden die 4 Leittechnikebenen durch die Fernwirktechnik zum Austausch von Nachrichten verbunden, wobei von der Feld- zur Stations- zur Netzleitebene eine Informationsverdichtung vorgenommen wird.

4 schichtiges Leitstellenmodell

• Netzleitstelle bzw. NCC - Network Control Center
  Die Netzleitstelle verfügt über spezielle Software auf einem Computer(-verbund) . Zusätzlich verfügt jede Ebene über ein Visualisierungssystem mit Bedienerschnittstelle. Dieses HMI realisiert man als PC-Arbeitsplatz mit mehreren Monitoren. Beide Ebenen bauen auf den fernwirktechnisch übertragenen Prozessdaten auf, verarbeiten diese weiter, und nutzt sie zur Vorhersage (Prädiktion) des zukünftigen Systemverhaltens.
• Stationsleitstelle bzw. SCS - Station Control Center
  Besteht aus einem im Leittechniksteuerschrank verbautem Leittechnikzentralgerät und einem Bediensystem mit PC-typischen Bedienelementen. Dient der Nahsteuerung sowie der Meldungs- und Messwertverarbeitung und der Archivierung. Verfügt über Automatisierungsfunktionen zur Überwachung und Fehlerortlokalisierung. Kommuniziert „nach unten“ mit dem TCP/IP Protokoll IEC 61850 mit den Geräten der Feldleitebene und „nach oben“ mit der Netzleitstelle über das ebenfalls TCP(IP Protokoll IEC 60870-5-101104 bzw. über das serielle Protokoll IEC 60870-5-101. Auf der Stationsleitstellenebene sind heute alle Prozesse diditalisiert.
• Feldleitebene mit Bedienpanel
  Hier werden Feldleitgeräte und Schutzgeräte bzw. Kombigeräte (Schützen und Steuern in einem Gerät, vorwiegend in der Mittelspannung üblich) eingesetzt, die über ein kleines Display, LEDs und einige Bedientasten verfügen und in unmittelbarer Nähe (Schranktüre der MS-Zelle) der Primärtechnik (Schalter, Trenner,  .. ) verbaut sind. Feldleitgeräte müssen daher über die erforderliche elektromagnetische Störfestigkeit für dieses Umfeld (Hochspannung, Hochstrom) verfügen. Das Bedienpanel kann üblicherweise ein Übersichtsbild des Feldes, ein Messwertbild mit den Messwerten der Zelle, einer Alarmliste mit anstehenden Gefahrenmeldungen, und einem Steuerungsbild („Ein“, „Aus“, „Befehlsausgabe läuft“) aufschalten. Auch auf der Feldleitebene sind heute alle Prozesse digitalisiert.
• Prozessebene im Feld

  Die Prozessebene ist, was die Automatisierung von energietechnischen Schaltanlagen betrifft, heute die einzige Ebene, auf der es noch analoge Prozesse gibt. So ist es heute noch in der Mittel-, Hoch- und Höchstspannung üblich, Messwerte analog über klassischen Wandlern zu erfasst und an analoge Eingabebaugruppen oder an direkte Wandlereingänge über eine Drahtverbindung anzubinden und erst im Feldleitgerät zu digitalisieren.

  Aber auch hier ersetzt, durch den Einsatz von NCITs und Merging Units, die digitale Datenübertragung die letzten Meter zwischen der Primärtechnik und den IDEs. Von den Merging Units werden die (digitalen) sampled values dann über IEC 61850-9-2 weitergeleitet.

Echtzeit-Prozessoftware

Prozesssoftware dient der Überwachung und Steuerung technischer Abläufe eines Systems mit Hilfe von speziellen Rechneranlagen, die signalmäßig an den Prozess angebunden werden.

Prozesssoftware wird entwickelt, um einen sich verändernden Prozess zu kontrollieren und zu manipulieren, sowie zur Überwachung der dazu nötigen Rechner, peripheren Geräte und der Prozesssoftware selbst.

Will man den zeitkritischen Aspekt von Automatisierungssystemen betonen, so spricht man von Echtzeitsystemen. In Echtzeitsystmen erfolgt die  Prozessdatenerfassung, Weiterleitung an die Leittechnik mittels Fernwirkverbindung, Verarbeitung und anschließende Ausgabe von Steuerdaten mittels Fernwirkverbindung an den Prozess erfolgt innerhalb einer exakt definierten Zeitspanne.

Da die Daten sowohl zufällig, als auch zu bestimmten Zeitpunkten anfallen können, ist ein Echtzeitsystem ständig betriebsbereit und muss eine dem Prozess entsprechende Reaktionszeitspanne haben. In energietechnischen 16,7, 50 oder 60 Hz Systemen liegt die Reaktionszeit im Bereich von 2 aufeinanderfolgenden Spannungs-Nulldurchgängen (also bei 10 mSec bei 50 Hz).

Das Zeitverhalten eines Prozesssystems wird aber auch geprägt durch die Antwortzeiten an der Benutzeroberfläche des Visualisierungs- und Bediensystmes und der Tatsache, dass keine vom Prozess eingehenden Informationen verloren gehen oder verzögert werden dürfen und dass Programmläufe abwechselnd vom Menschen oder vom Prozessgeschehen ausgelöst werden können.

Dispatcher bzw. Operator eines Netzleittechniksystems

Nachfolgend betrachten wir die Aufgaben eines Dispatchers in einer Netzleitwarte an Hand einer beispielhaften Stellenbeschreibung:

• Benennung der Stelle: Sachbearbeiter im Lastverteiler
• Zielsetzung der Stelle: Durch selbstständigen und ordnungsgemäßen Arbeitseinsatz zur Gewährleistung der optimalen, bedarfsgerechten Nutzung der möglichen Energieeinspeisungen sowie zum wirtschaftlichen Transport der Energie über Leitungen und Schaltanlagen zur Verteilung der elektrischen Energie beizutragen. Durch den Einsatz des neuesten Standes des technischen Wissens über die eingesetzten Verfahren ist neben dem betriebswirtschaftlichen auch auf das volkswirtschaftliche Optimum zu achten.
• Hierarchische Einordnung: Unmittelbar übergeordnet ist der Senior Dispatcher als fachlicher Gruppenleiter und der Abteilungsleiter für den Lastverteilerbetrieb. Die aktive Stellvertretung erfolgt durch einen anderen Dispatcher.
• Vollmachten: Der Dispatcher ist schaltanweisungsberechtigt an untergeordnete Kraftwerksgruppen oder Schaltanlagen. Er ist selbst Schaltberechtigt zur automatisierten Leistungsvorgabe und für das Anfahren und Abstellen von Maschinen, sowie zu allen damit verbundenen Schalthandlungen in Schaltanlagen bei denen keine weiteren Personen involviert sind. Er stellt für jedes Betriebsmittel sicher, das zu jedem Zeitpunkt nur genau eine Person die alleinige Schalthoheit besitzt.
• Kommunikationsbeziehungen: Innerbetrieblicher Art zu den Fachabteilungen und Stationswarten; Außerbetrieblich zu den Lastverteilern anderer EVUs, zu den Ämtern der Landesregierung und zum Militärkommando im Katastrophenfall.
• Aufgaben: Der Stelleninhaber veranlasst und kontrolliert folgende Tätigkeiten:
  • Durchführung der Lastverteileraufgaben seines EVUs in Zusammenarbeit mit den Lastverteilern anderer über- und gleichgestellter EVUs und der Bahn.
  • Erstellen und Überwachen von Fahrplänen
  • Befehls- und Meldestelle bei Schalthandlungen
  • Wahrnehmung der Netzüberwachung
  • Ausübung von Lastverteileraufgaben im Zusammenhang mit der Durchführung von Beteiligungs- und Energietauschverträgen
  • Veranlassung von Personaleinsatz bei Störungen, sowohl Störungsbehebungstrupps, als auch die Besetzung von sonst unbesetzt geführten Werken.
  • Führung von statistischen Aufzeichnungen über Erzeugung, Verbrauch, Verluste, Leistungsspitzen, Arbeitsvermögen, Betriebsstunden, …
• Dienstanweisungen und Verfahrensvorschriften zur Arbeitsverrichtung: Er hält sich an diverse Betriebsvorschriften, sowie Wasserrechts- und Umweltbescheide sowie an Dienstanweisungen
• Anforderungen an den Stelleninhaber: Ausbildung an einer HTL oder FH. Einschulung in Form von „Training on the Job“ mit Abschluss durch Schaltberechtigungsprüfung. Es erfolgt eine laufende innerbetriebliche Weiterbildung.
• Bewertungskriterien: Gewissenhaftigkeit, Kompetenz und Exaktheit bei technischen Handlungen sowie Kooperationsbereitschaft und Kontaktfreudigkeit.

Unterscheidungsmerkmale elektrischer Maschinen

Vorab eine Mindmap zu den Inhalten dieser Mikro-Lerneinheit

Bild

Elektrischen Maschinen basieren auf der magnetischen Kopplung zweier getrennter mechanischer Hauptelemente (Rotor, Stator bzw. Trafoschenkel). Sie spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen, von Industriemaschinen bis hin zu Haushaltsgeräten. 

Elektrische Maschinen lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

Art der Bewegung

• rotierende Maschinen, das trifft auf die gängigen Generatoren und Motoren zu.
• Linearmaschinen, das sind asynchrone Motoren, deren Ständer nicht ringförmig, sondern schienenförmig aufgebaut ist. Sie werden speziell in der Fördertechnik eingesetzt.
• feststehende Maschinen, das trifft auf die Transformatoren zu.

Synchronität zur Netzfrequenz

Entkoppelt von der Netzfrequenz

• Gleichstrommaschine
  deren Rotor sich im Erreger-Gleichfeld dreht. Durch die Drehung des Rotors entsteht in dessen Ankerspulen eine Wechselspannung, welche über einen Kommutator (Stromwender) gleichgerichtet wird. Gleichstrommaschinen werden aufgrund ihrer hohen Drehzahlregelung und ihres guten Anfahrverhaltens häufig im Motorbetrieb in Elektrofahrzeugen wie Straßenbahnen, U-Bahnen und Elektroautos eingesetzt.
• Asynchronmaschine
  deren Rotor sich im Erreger Drehfeld dreht, welches vom Stator ausgehend synchron mit dem Netz umläuft. Der Rotor dreht sich mit einer Drehzahl zwischen Null (Stillstand) und netzsynchron (Leerlauf). Belastet man den Rotor mechanisch im Motorbetrieb, so bleibt der Rotor mit zunehmender Last zunehmend hinter dem Drehfeld zurück. Die Differenz-Drehzahl wird als Schlupf bezeichnet. Die Nenndrehzahl des Drehstrommotors liegt bei etwa 1% .. 6% unterhalb der synchronen Drehzahl, also der des speisenden Netzes. Asynchronmaschinen werden überwiegend im Motorbetrieb aufgrund ihrer einfachen Konstruktion, Robustheit und Wartungsfreundlichkeit in der Industrie eingesetzt.

Synchron zur Netzfrequenz

• Synchronmaschine
  es gibt keinen Schlupf. Sie läuft netzsynchron und wird daher vorwiegend als Drehstrom-Generator eingesetzt, der absolut exakt netzsynchron laufen muss.
• Trafo
  auf der Primär- und Sekundärseite herrscht die Netzfrequenz.

Art der Energieumwandlung

mechanisch auf elektrisch: Generatorbetrieb
wenn Wasser nach einem Gefälle oder Dampf nach einem Heizkessel über die Schaufeln eine Turbine strömt, wodurch sich die Turbine dreht. Über eine Kupplung, also mechanisch, überträgt die Turbine diese Drehbewegung auf den Rotor eines Synchrongenerators. Dessen gleichstromerregte Läuferspule  induziert dann eine Spannung in den Stator, der seinerseits in ein Netz einspeist und dort zugeschaltete elektrische Lasten (Motoren)  mit elektrischer Energie versorgt.

Die Leistungsobergrenze für Generatoren liegt hier bei 1000 MW, bei einer Generatorspannung von bis zu 27 kV und einer Drehzahl von 1500 min^-1 oder 3000 min^-1.

\({P_{mech}} = 2 \cdot \pi \cdot n \cdot M \approx {P_{el}} = m \cdot U \cdot I \cdot {g_1} \cdot \cos \left( \varphi \right)\)

\(\eta = \dfrac{{{P_2}}}{{{P_1}}}\)

• M mechanisches Drehmoment
• n Drehzahl der Welle
• m Strangzahl; m=1 Gleichstrommaschine
• g₁ Grundschwingungsgehalt
• \(\varphi \) Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung
• \(\eta \) Wirkungsgrad

elektrisch auf mechanisch: Motorbetrieb
wenn Strom aus einem speisenden Netz durch eine Erregerwicklung fließt und sich der Rotor des Motors im Erregerfeld dreht. Der drehende Rotor kann dadurch mechanische Arbeit verrichten.

Gängige Leistungen für Asynchronmotoren gehen bis 1000 kW, die Leistungsobergrenze liegt bei 30 MW.

elektrisch auf elektrisch: Transformator
wenn eine Primär- auf eine Sekundärspannung gewandelt wird, wobei die Leistung auf beiden Seiten des Trafos – abgesehen von den unvermeidlichen, aber sehr niederen (1%) Trafoverlusten – gleich hoch ist.

Zwei Wicklungen, die denselben Eisenkern umfassen werden vom selben magnetischen Wechselfluss durchflossen.

• Dabei verhalten sich die beiden Klemmenspannungen auf der Primär- und auf der Sekundärseite proportional zu den jeweiligen Windungszahlen,
• während sich die Ströme indirekt proportional dazu verhalten. Durch den niedrigeren Strom (bei höherer Spannung) sinken die Leitungsverluste, das ist der entscheidende Vorteil von Drehstrom gegenüber von Gleichstrom!

\(\dfrac{{{N_P}}}{{{N_S}}} = \dfrac{{{u_P}}}{{{u_S}}} = \dfrac{{{i_S}}}{{{i_P}}}\)

Die Leistungsobergrenze liegt hier bei 1500 MW, deren Gewicht bei 450 t, jedoch noch ohne Ölfüllung.

Art von Strom und Spannung

• Gleichstrommaschine
• Einphasen- bzw. Wechselstrommaschine
• Mehrphasen- speziell (3-Phasen) Drehstrommaschinen

Lage der Erregerspule bei rotierenden Maschinen

• Innenpolmaschine: Die Spulen oder Permanentmagnete welche das Erregerfeld verursachen befinden sich am Läufer
  • Synchronmaschine
• Außenpolmaschine: Die Spulen oder Permanentmagnete welche das Erregerfeld verursachen, befinden sich am Stator
  • Gleichstrommaschine
  • Asynchronmaschine

Art der Erregung

• Von Selbsterregung spricht man, wenn die Erregung und somit das Erreger- oder Hauptfeld durch einen Strom entsteht, den die Maschine selbst liefert. 
• Von Eigenerregung spricht man, wenn die Antriebsleistung für den Generator und für die zu erregende Maschine, von der selben Turbine geliefert wird.
• Von Fremderregung spricht man, wenn die zu erregende Maschine, von einer von ihr unabhängigen Stromquelle gespeist wird.

Art des Erregerfeldes

Maschinen, deren Erregerfeld ein Gleichfeld ist. Dieses Wirkungsprinzip kommt für

• Gleichstrommaschinen
• Einphasen-Reihenschluss-Universalmotoren, können mit Gleich- aber auch mit Wechselstrom gespeist werden, da auf Grund der Serienschaltung, Anker und Erregerstrom gleichphasig sind.

zur Anwendung.

Maschinen, deren Erregerfeld ein Drehfeld ist. Dieses Wirkungsprinzip kommt für

• Bürstenlose Gleichstrommaschinen
• Synchronmaschinen
• Asynchronmaschinen
• Transformatoren

zur Anwendung.

Ursprung des Magnetfeldes

Magnetisch Felder besitzen im Unterschied zu elektrischen Feldern keine Quellen (Anfang einer Feldlinie) bzw. Senken (Ende einer Feldlinie), sondern sie sind Wirbelfelder. Dies beschreibt in der Elektrodynamik die 2. Maxwellgleichung, also das Gaußsche Gesetz für magnetische Felder, wie folgt mathematisch: 

\(div\overrightarrow B = 0\)

Magnetische Feldlinien zeigen den Verlauf des Feldes, wobei magnetische Feldlinien immer geschlossen sind oder sie winden sich unendlich, ohne in sich zurückzulaufen, man spricht daher von einem sogenannten Wirbelfeld. 

Ein Magnet hat zwei Pole, den Nordpol und den Südpol. Die magnetischen Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol und schneiden einander nicht. Im Inneren eines Magneten verlaufen die Feldlinien dagegen von Südpol zum Nordpol. Die Polstärke \(\overrightarrow p \) gibt die Stärke und die Orientierung der beiden Pole eines Magneten an.

In elektrischen Maschinen haben Magnetfelder folgenden Ursprung

• Permanentmagnete: In Dauermagneten fließen diese das Magnetfeld verursachenden Ströme in Form von bewegten Elektronen auf atomarer Ebene. 
• Stromfluss durch einen Leiter bzw. eine Wicklung: Die Spule kann auf einem mechanisch pilzförmig ausgeprägten Pol, bestehend aus Polkern und Polschuh sitzen oder als Wicklung eingebettet in Nuten vom Rotor oder Stator liegen. Die magnetische Durchflutung einer Spule ergibt sich aus Strom mal Windungszahl.

Die magnetische Durchflutung \(\Theta \) "Theta" dient zur Berechnung einer, durch einen elektrischen Strom erzeugten, magnetischen Feldstärke.
\(\Theta = \oint\limits_s H \,\,d\overrightarrow s = {U_m} = \sum\limits_k {{I_k}} = I \cdot n\) 
In elektrischen Maschinen kommen Wicklungen zur Erzeugung eines Gleichfeldes oder Wicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes zur Anwendung.

Polpaarzahl

Leistungsstärkere Maschinen haben nicht nur 2 Hauptpole, sondern verteilt am Ankerumfang p Polpaare, wobei „p“ die Polpaarzahl ist. Ein Polpaar besteht aus einem Nord- und einem Südpol.

• Die Polpaarzahl beeinflusst die Drehzahl, das Drehmoment und die Höhe der induzierten Spannung. 

Polteilung

Die Polteilung ist das Maß für den Abstand zwischen zwei Polen. Die Polteilung ergibt sich als Quotient aus Ankerumfang und Polpaarzahl.

Art der Wicklung

Anzahl der Windungen

• Stabwicklung
  Eine Windung je Spule
• Spulenwicklung
  Mehrere Windungen je Spule. Jede Spulenseite hat so viele Drähte, wie die Spule Windungen hat.

Anzahl der untereinander liegenden Spulenseiten je Nut

• Einschichtwicklung
  In der Nut wird nur eine Spulenseite platziert
• Mehrschichtwicklung
  In der Nut werden mehrere Spulenseiten untereinander platziert. Bei der häufig anzutreffenden Zweischichtwicklung spricht man von Oberschicht (zum Luftspalt hin) und Unterschicht (zum Nutgrund hin). 

Serienschaltung abhängig von der Lage unter den Polen bei Gleichstrommaschinen

• Schleifenwicklung
  Die unter einem Polpaar aufeinander folgenden Spulen werden zusammengeschaltet. Für mittlere bis große oder schnell laufende Maschinen.
• Wellenwicklung
  Die unter aufeinander folgenden Polpaaren aufeinander folgenden Spulen werden zusammengeschaltet. Für kleinere bis mittlere oder langsam laufende Maschinen.

Anzahl der Nuten je Pol und Strang (als Lochzahl bezeichnet) bei Drehstrommaschinen

• Ganzlochwicklung
  Die Anzahl der Nuten (Q) ist ein ganzzahliges Vielfaches vom Produkt aus der Anzahl der Pole (2p) und der Anzahl der Phasen (m=3)
  \(q = \dfrac{Q}{{2p \cdot m}}{\text{ mit q}} \in {\Bbb N}\)
• Bruchlochwicklung
  Die Anzahl der Nuten (Q) ist kein ein ganzzahliges Vielfaches vom Produkt aus der Anzahl der Pole (2p) und der Anzahl der Phasen (m=3). 
  \(q = \dfrac{Q}{{2p \cdot m}}{\text{ mit q}} \in \left( {{{\Bbb Q}^ + }\backslash {\Bbb N}} \right)\)

Art der Erzeugung des Drehfeldes

• Drehfeld wird durch Gleichströme erzeugt
• Drehfeld wird durch 3 um 120° phasenverschobene Wechselströme erzeugt

Art des Betriebspunkts

Leerlauf
Die Maschine läuft ohne Last, dh sie verrichtet keine mechanische Arbeit. Der Verbrauch der Maschine dient nur zur Deckung der Verluste

stationärer Betriebszustand
Drehzahl und Stromaufnahme sind konstant

Untererregung, bzw, induktives Verhalten, Polradspannung kleiner als Statorspannung
Die Erregung reicht nicht aus, damit die Maschine die volle Leistung bzw. das erforderliche Drehmoment erbringen kann; Instabiler Betriebszustand.

Übererregung, bzw. kapazitives Verhalten, Polradspannung überstiegt Statorspannung
Die Erregung ist zu hoch, die magnetischen Kreise gehen in Sättigung. Gefahr der Beschädigung. 

Kurzschluss
Auf Grund der kurzgeschlossenen Klemmen fließt ein maximaler Strom der nur durch den Innenwiderstand der Maschine begrenzt ist, mit entsprechend hoher Leistungsaufnahme. Die Gefahr der Überhitzung macht eine Notabschaltung erforderlich.

Komponenten elektrischer Maschinen

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Bild

Gehäuse

darin befinden sich die isoliert angebrachten Komponenten der elektrischen Maschine.

Isoliermaterial

um unerwünschten elektrischen Kontakt zu verhindern.

Luftspalt 

trennt drehende von statischen mechanischen Komponenten, also den Rotor vom Stator.

Stromzu- bzw. -abfuhr

welche am Stator über Klemmen und am Rotor über Bürsten erfolgt. Damit man die Wicklungen der Maschine schon an den Klemmen erkennen kann, sind genormte Klemmenzeichen üblich:

• A1-A2: Ankerwicklung
• B1-B2: Wendepolwicklung
• C1-C2: Kompensationswicklung
• D1-D2: Reihenschlusswicklung
• E1-E2: Nebenschlusswicklung
• F1-F2: Fremderregte Wicklung

Elektrobleche

sind einseitig isoliert und haben eine Dicke von 0,23 .. 0,6 mm, um Wirbelströme zu unterbinden, sind kaltgewalzte Dynamobleche und werden zu einem Blechpaket zusammengefügt.

Kommutator

dient der Stromwendung (Umpolung) bei

• Gleichstrom und
• Einphasen-Reihenschlussmotoren (Universalmotor)

Schleifringe

stellen eine elektrische Verbindung zwischen den am Stator befestigen Bürsten und somit die Verbindung zum äußeren Netz einerseits und dem sich drehenden Läufer samt seinen Wicklungen andererseits her.

• zum Anker der fremd- oder eigenerregten Gleichstrommaschine, nicht jedoch zur bürstenlosen Gleichstrommaschine (BLDC)
• zum Polrad der Synchronmaschine, sowohl bei Schenkelpol- als auch bei Trommelläufer
• zum Schleifringläufer der Asynchronmaschine, nicht jedoch zum Kurzschlussläufer

Stator bzw. Ständer

ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine.

Rotor bzw. Läufer

ist die bewegliche Komponente einer rotierenden Maschine.

• Bei einer Gleichstrommaschine ist der Rotor zugleich der Anker.
• Bei einer Synchronmaschine nennt man den Rotor auch Polrad. 

Anker

Der Anker ist jener Teil einer elektrischen Maschine, in dessen Wicklung durch relative Drehung gegen ein Erreger-Magnetfeld eine Spannung induziert wird. "Relative" Drehung bedeutet, dass sich entweder

• das Gleich-Feld dreht und die Spulen stillstehen (Anker = Stator der Synchronmaschine). In den Anker werden die 3 Spannungen eines Drehfeldes induziert.
• das Gleich-Feld steht still und die Spule dreht sich (Anker = Rotor der Gleichstrommaschine). In den Anker wird eine Wechselspannung induziert.

Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes. 

Ankerspulen liegen von Wechselstrom durchflossen in den Nuten des Läufers

• Gleichstrommaschine
• Einphasen-Reihenschlussmotor (Universalmotor). 

Ankerspulen liegen als mehrsträngige Drehfeldwicklung in den Nuten des Ständers

• Bürstenlose Gleichstrommaschine
• Schenkelpol- und Vollpol (Trommelläufer) Synchronmaschine
• Kurzschluss- oder Schleifringläufer Asynchronmaschine

Eisenkern eines Trafos

dieser dient dem Rückschluss vom magnetischen Fluss und setzt sich aus dem geblechten Joch- und den Schenkeln zusammen.
Bei den Schenkeln, welche die Primär- und Sekundärwicklungen tragen, unterscheidet man den

• Einphasen-Kern bzw. – Manteltrafo
• Drehstrom Kern-Trafo bzw. Dreischenkel und Fünfschenkel-Kerntrafo.

Windung - Spule - Wicklung - Strang

Jede Spule kann aus mehreren Windungen bestehen. Jede Spule erfordert 2 Nuten, eine für die Hin- und eine für die Rückleitung. Die einzelnen Spulen werden zu Wicklungen zusammengeschlossen. 

Bei Drehstrommaschinen gibt es für jede der 3 Phasen eigene, um elektrische 120° versetzte, Wicklungen, die man Strang nennt. Mit „Strang“ bezeichnet man immer die Größe, die direkt an der Generatorspule anliegt, unabhängig davon ob die Generatorspulen im Stern oder im Dreieck zusammengeschaltet werden. Man kann die 3 Induktionsspulen zu einem Stern oder einem Dreieck zusammenschalten, ohne dass ein Kurzschluss entsteht. Abhängig von Stern- oder Dreieck-Schaltung, unterscheiden sich die Stranggrößen von Strom und Spannung von den Außenleitergrößen. (Wir behandeln diese Zusammenhänge in der Mikro-Lerneinheit "Drehstrom" ausführlich.)

Anzapfungen dienen dazu unterschiedlich hohe Spannungen an einem Strang abzugreifen. Es handelt sich dabei um herausgeführte Zwischenanschlüsse, welche die Anzahl derjenigen Windungen reduziert, in die eine Spannung induziert wird. Beispiel: Regeltrafo.

Erregerwicklung

Wicklung, welche das Erreger- oder Hauptfeld erzeugt.

Ankerwicklung

entsteht durch das elektrische Zusammenschließen der einzelnen in den Ankernuten liegenden Ankerspulen, die ihrerseits aus mehreren Windungen bestehen. Die Ankerwicklung liegt abhängig vom Maschinentyp im Rotor oder im Stator. 

Trafowicklungen

bei deren Aufbau man zwischen Zylinder- und Scheibenwicklung unterscheidet.

• Bei der Zylinderwicklung liegt innen die Unterspannung und außen die Oberspannung
• Bei der Scheibenwicklung liegen die Unter- und Oberspannungswicklungen abwechselnd entlang von den Schenkeln verteilt.

Gleichstrommaschine

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Bild

Stator bzw. Ständer

ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine. Der Stator der Gleichstrommaschine besteht aus (geblechtem) Stahl und setzt sich aus dem Jochring und den Hauptpolen zusammen.

Jochring

dient als Rückschluss für den magnetischen Fluss. Am Innenumfang des Jochrings befinden sich entweder

• die Haupt- oder Erregerpole, oder alternativ
• Permanentmagnete

von denen, die zum Aufbau des Erregerfeldes, erforderliche Durchflutung ausgeht.

Erregerwicklung

Ein Hauptpol setzt sich aus einem Polkern und einem Polschuh zusammen. Die Erregerwicklung sitzt am Polkern. Die Erregerwicklung kann auf folgende Arten mit Erregerstrom, der natürlich ein Gleichstrom ist und ein Erreger-Gleichfeld erzeugt, gespeist werden:

• Fremderregt, mittels einer separaten Gleichstrom-Spannungsquelle
• Eigenerregt, bei Maschinen, die über einen Restmagnetismus zum Anlauf verfügen, man unterscheidet
  • Nebenschluss: Die Erregerwicklung liegt parallel zur Ankerwicklung
  • Hauptschlss: Die Erregerwicklung liegt in Serie zur Ankerwicklung und wird somit vom Ankerstrom durchflossen
  • Doppelschluss: Die Maschine besitzt eine Nebenschluss- und eine Hauptschlusswicklung.

Pollücken

In den Pollücken, zwischen den Hauptpolen, befinden sich meistens Wendepole, die in Serie zum Anker geschaltet sind.

Polpaarzahl

Leistungsstärkere Maschinen haben nicht nur 2 Hauptpole, sondern verteilt am Ankerumfang p Polpaare, wobei „p“ die Polpaarzahl ist.

• Je Polpaar schleift eine Plus- und eine Minusbürste am Kommutatorumfang entlang, wobei gleichnamige Bürsten miteinander verbunden sind. Die Bürsten befinden sich in der geometrisch neutralen Zone.

Lager, zur Aufnahme des Ankers

An den Stirnseiten des Ständers sind Lager befestigt, in denen sich der Anker drehen kann.

Bürsten

Am Stator der Gleichstrommaschine sind Halter so angebracht, dass Kohlebürsten mit verstellbarem Druck auf der Umfangsfläche des Stromwenders gleiten können. Die Bürsten stehen in der Mitte zwischen zwei ungleichnamigen Magnetpolen.

Wendepole

Um die Ankerrückwirkung im Bereich zwischen den Polen aufzuheben, gibt es bei Gleichstrommaschinen ab 1 kW Leistung, die Wendepole, die sich mittig zwischen den am Stator befestigten Hauptpolen, in der sogenannten Pollücke, befinden. Die Wendepole tragen eine mit der Ankerwicklung in Reihe geschaltete Wendepolwicklung. Eine zu stark bemessene Wendepolwicklung führt zu Frühwendung oder Überkommutierung. Im Motorbetrieb führt dies zu einer Feldschwächung, der zufolge die Drehzahl steigt, was zu Lasten der Stabilität des Motors geht.

Kompensationswicklung

Gleichstrommaschinen ab 100 kW haben in den Hauptpolschuhen, unmittelbar gegenüber dem Anker, noch eine Kompensationswicklung zwecks Unterdrückung der Ankerrückwirkung im Bereich direkt unter den Polschuhen. Diese Kompensationswicklung ist wie auch die Wendepolwicklung in Serie zum Anker geschaltet.

Die vollendetste Form der Gleichstrommaschine ist also jene mit einer Kompensationswicklung und Wendepolen. Die Kompensationswicklung unterdrückt die Luftspaltfeldverzerrung unter den Polschuhen und die Wendepole heben das Ankerquerfeld in der geometrisch neutralen Zone auf und erzeugen überdies ein für eine gute Stromwendung notwendiges Wendefeld.

Anker, zugleich Läufer

Der Anker besteht aus geschichteten zylinderförmigen Dynamoblechen. In dessen Außenumfang liegen in Nuten eingebettet, die Ankerspulen. Am Ende des Ankers sitzt der Kommutator als Stromwender. Der Anker ist jene Wicklung einer elektrischen Maschine, in die vom Erregerfeld eine Spannung induziert wird. Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes. 

Jede Spule ist jeweils am Anfang und am Ende an eine separate Stromwenderlamelle des Kommutators durch Hartlöten angeschlossen. Als Teil des Ankers dreht sich der Kommutator samt seinen Lamellen und den damit fest verbundenen Spulen.

Kommutierung

Stromwendung ist bei bürstenbehafteten Gleichstrommaschinen erforderlich, damit der Stromfluss im sich drehenden Anker so umgeschaltet wird, dass das Ankerfeld den Rotor beständig in dieselbe Richtung antreibt. Der Verlauf, der in der Ankerwicklung induzierten Spannung und somit auch des Stroms eines Gleichstromgenerators ist \( + \to 0 \to - \to 0 \to + \)  und somit eine Wechselspannung! Diese Wechselspannung in der Ankerwicklung wird durch Kommutator und Bürsten mechanisch gleichgerichtet. Um eine möglichst glatte Spannung im Generatorbetrieb zu erzielen, bringt man auf dem Anker möglichst viele Spulen an. Ihrer Anzahl ist jedoch durch die Lamellenbreite des Kommutators eine Grenze gesetzt.

Als Kommutierungszeit bezeichnet man jene Zeit, die der Strom zur Richtungsumkehr hat, also während die Bürste die Spule kurzschließt. Sie ergibt sich aus dem Quotienten von Bürstenbreite und Kommutatorumfangsgeschwindigkeit. Falls zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schlitz zwischen benachbarten Kommutatorstegen den Bereich der Bürste verlässt, der Strom noch nicht vollständig kommutiert ist, wird dies nun durch einen Lichtbogen zwischen ablaufender Bürstenkante und Kommutatorsegment erzwungen, wodurch die Gefahr eines Bürstenrundfeuers entsteht.

Windung, Spule und Wicklung

Jede Ankerspule kann aus mehreren Windungen bestehen. Jede Spule erfordert 2 Nuten, eine für die Hin- und eine für die Rückleitung. Die einzelnen Spulen werden aber nicht nur an deren Anfang und Ende je an eine Kommutatorlamelle angeschlossen, sondern zudem spulenseitig zu Wicklungen zusammengeschlossen.

Man unterscheidet zwischen Trommel-, Schleifen- und Wellenwicklung.

• Bei der Schleifenwicklung wird das Ende einer Spule mit dem Anfang der unmittelbar benachbarten Spule verbunden. D.h. das Ende der einen Spule und der Anfang der benachbarten Spule teilen sich ein und dieselbe Stromwenderlamelle. Bei der Schleifenwicklung liegt eine Spule zwischen benachbarten Stromwenderlamellen.
• Bei der Wellenwicklung wird das Ende einer Spule mit dem Anfang jener Spule verbunden, die sich gleichliegend unter dem nächsten Polpaar befindet. So wird durch nur p Spulen, mit p = Polpaarzahl, ein kompletter Ankerumlauf zurückgelegt. Das Ende der p-ten Spule darf aber nicht mit mit jener Stromwenderlamelle zusammentreffen, an die der Anfang der ersten Spule angeschlossen wurde, da es sonst es einen Kurzschluss gibt, sondern muss um eine Lamelle versetzt sein. Bei der Wellenwicklung liegen p Spule zwischen benachbarten Stromwenderlamellen.

Ankerrückwirkung

Der Ankerstrom erzeugt ein – unerwünschtes – Ankerfeld, dessen Achse senkrecht zur Hauptfeldrichtung liegt. Daher spricht man auch von einem Ankerquerfeld bzw. von Ankerrückwirkung, da durch die Überlagerung des Ankerquerfeldes, mit dem Erregerfeld der Hauptpole, eine Feldverzerrung entsteht. (Gegenmaßnahme: Kompensationswicklung)
Durch die Überlagerung vom Ankerquerfeld mit dem Erregerfeld wird das aus den beiden Feldern resultierende Hauptfeld

• an auflaufenden Polkante verstärkt, wodurch es, zufolge magnetischer Sättigung, zu einer Feldschwächung gegenüber Leerlauf kommt.
• an der ablaufenden Polkante geschwächt, wodurch es ebenfalls zu einer Feldschwächung gegenüber Leerlauf kommt.

Neutrale Zone und Bürstenverschiebung

Die neutrale Zone befindet sich dort, wo der Geschwindigkeitsvektor v der umlaufenden Ankerschleife parallel zur magnetischen Flussdichte B des Luftspaltfeldes ist, da dann keine Urspannung induziert wird, da das Kreuzprodukt zweier paralleler Vektoren Null ist. 

\({e_{ib,12}} = \mathop \smallint \limits_1^2 {E_b}\,ds = \mathop \smallint \limits_1^2 \left( {\vec v \times \vec B} \right)\,\,ds\)

Zufolge der Ankerrückwirkung kommt es zu einer Verschiebung der neutralen Zone, also von jenem Wicklungsteil des Ankers, in dem keine Spannung induziert wird und wo die Bürsten stehen müssen, damit es zu keinem Bürstenfeuer kommt. Übersteigt die Spannung 35 V, zwischen benachbarten Stegen des Stromwenders, so kann es sogar zu Rundfeuer kommen, also zu einem Lichtbogen zwischen Bürsten unterschiedlicher Polarität, wodurch das Netz kurzgeschlossen wird. (Gegenmaßnahme: Wendepole)

Bei Maschinen ohne Wendepole ist deshalb eine Bürstenverschiebung erforderlich, um die Bürsten wieder in die neutrale Zone zu bringen. Leider entspricht einer bestimmten Last auch eine bestimmte Bürstenstellung, sodass die Stromwendung bei geringer Last beschleunigt und bei größerer Last verzögert wird. Eine Bürstenverschiebung eignet sich daher nicht für Maschinen mit veränderlicher Belastung.

Beim Generator muss man die Bürsten in Drehrichtung und beim Motor gegen die Drehrichtung des Ankers verschieben. Dies kann zu falschen Bürstenstellungen beim Reversierbetrieb führen.

Eine Gleichstrommaschine kann ohne Umbau als Motor oder als Generator betrieben werden.

Gleichstrommaschine als Motor

Im Motorbetrieb wird der Gleichstrommaschine ein Ankerstrom über die feststehenden Bürsten und die Kollektorlamellen zugeführt. Wenn zeitgleich ein magnetischer Fluss der Hauptpole am Stator vorhanden ist, d.h. wenn die Hauptpolspulen (=Feldspulen) von einem Erregerstrom durchflossen werden, so entsteht durch den in der Ankerwicklung fließenden Strom eine Lorentzkraft, der zufolge sich der Rotor gemäß der Rechte-Hand-Regel dreht. Der aus Bürsten und Kollektor bestehende Stromwender sorgt dafür, dass die umlaufenden Ankerwicklungen den Strom so zugeführt bekommen, dass ein größtmögliches Drehmoment entsteht.

Befindet sich ein stromdurchflossener Leiterdraht in einem Magnetfeld, so ist die Höhe der Lorentzkraft F_L proportional zur Stromstärke i die durch den Leiter fließt, zur Länge s des stromdurchflossenen Leiters und zur magnetischen Flussdichte B, welche die Stärke des Magnetfeldes an einem bestimmten Punkt im Luftspalt und in eine bestimmte Richtung beschreibt.

\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)

Gleichstrommaschine als Generator

Im Generatorbetrieb wird dem Läufer Rotationsenergie von einer gekuppelten (Wasser- / Dampf-) Turbine zugeführt, wodurch der Anker mechanisch gedreht wird. Die in den Ankernuten befindlichen Spulen schneidet beim Rotieren die von den auf dem Ständer sitzenden Hauptpolen erzeugten Feldlinien des Erregerfeldes, wodurch in den Ankerspulen eine Wechselspannung induziert wird.
Durch den Einsatz eines Kommutators kann aus dieser Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung erzeugt werden.
Schaltet man die einzelnen Ankerspulen hingegen zu Ankerwicklungen zusammen, werden die Schwankungen der induzierten Gleichspannung geringer.

Bewegungsinduktion e_ib - Spule bewegt sich

Durch die Bewegung der Ankerspule in einem konstanten Erreger-Magnetfeld B wird, zufolge der auf die beweglichen Ladungsträger des Leiters ausgeübte Lorentzkraft, eine Urspannung induziert. Das Linienintegral zwischen 2 Klemmen einer Leiterschleife heißt „induzierte Urspannung zufolge der Bewegung“. Sie entsteht, wenn das Magnetfeld B konstant bleibt, und sich darin eine Spule bewegt
\({e_{ib,12}} = \mathop \smallint \limits_1^2 {E_b}\,ds = \mathop \smallint \limits_1^2 \left( {\vec v \times \vec B} \right)\,\,ds\)

Man unterscheidet Gleichstrommaschinen dadurch, wie der Strom durch die Anker- und die Hauptpolwicklung fließt.

Reihenschlussmaschine

Bei einer Reihenschluss- oder Hauptschlussmaschine sind die Anker- und die Hauptpolwicklung in Serie geschaltet. D.h. derselbe Strom fließt zuerst durch die Ankerwicklung und danach durch die Hauptpolwicklung. Die Reihenschlussmaschine hat als Generator die entgegengesetzte Drehrichtung zum Motorbetrieb. Damit beim Reversierbetrieb die Drehrichtung beibehalten wird, muss die Maschine umgeklemmt werden. Reihenschlussmaschinen haben ein hohes Anlaufmoment und eignen sich daher z.B. für Elektrolokomotiven.

Die Erregerwicklung der Reihenschlussmaschine darf im Gegensatz zur Nebenschlussmaschine nicht hochohmig sein, da derselbe Strom auch durch die Ankerwicklung fließt. Die Erregerwicklung der Reihenschlussmaschine besteht aus wenigen Windungen mit großem Drahtquerschnitt.

Bei einem Reihenschlussmotor sind Nutzbremsungen (Rekuperation) nicht möglich, da sich bei unveränderter Schaltung die Stromrichtung in der Anker- und in der Erregerwicklung auf Grund der Serienschaltung zeitgleich umkehrt. Daher haben Reihenschlussmaschinen im Motor- und im Generatorbetrieb entgegengesetzte Drehrichtungen. Um die Drehrichtung beizubehalten, müsste man die Erregerwicklung umklemmen.

Nebenschlussmaschine

Bei einer Nebenschlussmaschine sind die Anker- und die Hauptpolwicklung parallelgeschaltet, wodurch unterschiedlich hohe Ströme durch die Anker- bzw. Hauptpolwicklung fließen. Bei der Nebenschlussmaschine werden die Anker- und die Erregerwicklung durch eine einzige Spannungsquelle versorgt. Zufolge der Parallelschaltung ist die Ankerspannung gleich hoch wie die Erregerspannung. Die Nebenschlussmaschine hat als Motor und als Generator den gleichen Drehsinn.

Die Erregerwicklung der Nebenschlussmaschine besteht aus vielen Windungen dünnen Drahtes.

Nebenschlussmaschinen eignen sich speziell für Anwendungen mit konstanter Drehzahl, die nahezu Lastunabhängig ist. Leider nimmt die Drehzahl und die Stromaufnahme beim Zusammenbrechen des Erregerfeldes dramatisch zu und die Maschine neigt zum Durchgehen.

\(n = \frac{{U - \left( {{R_{A,V}} + {R_A}} \right) \cdot {I_A}}}{{{k_1} \cdot \Phi }}\)

Mit n als Drehzahl, U als Klemmenspannung, mit R_A,V + R_A als Ankerwiderstand, mit I_A als Ankerstrom, k₁ als Motorkonstante und Phi als magnetischen Fluss.

Die Drehzahlregelung kann auf zwei Arten erfolgen:

• Über einen Vorwiderstand R_A,V der Ankerwicklung, was den Ankerstrom verringert, was zu einer Verringerung von Drehzahl und Drehmoment führt. Dies Form der Regelung ist einfach aber auf Grund des hohen Ankerstroms stark verlustbehaftet.
• Über den Vorwiderstand R_F,V der Erregerwicklung, wodurch der magnetische Fluss verringert wird, was ebenfalls zu einer Verringerung der Drehzahl führt.  Diese Form der Regelung ist komplexer, aber effizienter als die Regelung über den Ankervorwiderstand.

Das Drehmoment \({M_i} = {k_2} \cdot {I_A} \cdot \Phi \) des Nebenschlussmotors ist proportional zum Ankerstrom, da der magnetischen Fluss konstant ist, weil der Erregerkreis unabhängig vom Ankerkreis ist . k₂ ist eine konstruktionsabhängige Konstante.

Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Nebenschlussmotors ist eine Hyperbel. Bei kleiner Ankerstromstärke ist das Drehmoment gering, aber die Drehzahl ist hoch. Bei großer Ankerstromstärke ist das Drehmoment groß, aber die Drehzahl ist gering.

Die beiden unterschiedlichen Maschinenkonstanten k₁ in der Formel für die Drehzahl n bzw. k₂ in der Formel für das Drehmoment M werden durch Messungen an dem Motor bestimmt. Dazu wird der Motor mit einem bestimmten Ankerstrom betrieben und die Drehzahl und der magnetische Fluss werden jeweils gemessen.

Wird ein Nebenschlussmotor im gleichen Umlaufsinne, in dem er zuvor als Motor lief, mit einer so großen Drehzahl von außen angetrieben, sodass seine induzierte Spannung U_i größer als die Klemmenspannung U wird, so geht er – ohne dass an der Schaltung etwas geändert werden müsste – in den Generatorzustand über. D.h eine Nebenschlussmaschine kann ohne Schaltungsänderung bei gleichem Drehsinn als Motor und als Generator betrieben werden. Rekuperation ist also möglich, denn in diesem Fall liefert er Energie zurück und kann daher für Nutzbremsungen verwendet werden.

Fremderregte Maschine

Wenn die Nebenschussmaschine an einem starren Netz hängt, die Klemmenspannung also unabhängig vom gezogenen Strom ist, ist ihr Betriebsverhalten dem der fremderregten Maschine ident.

Bei der fremderregten Maschine handelt es sich um eine Nebenschlussmaschine, bei der Anker- und Hauptpolwicklung durch Ströme aus voneinander unabhängigen Spannungsquellen durchflossen werden. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie ist im Falle des fremderregten Gleichstrommotors eine Gerade.

Traktionsmotore als Antriebe für Schienenfahrzeuge

• Gleichstrom-Reihenschlussmotoren sind, wegen ihrer guten Regelbarkeit und dem hohen Anfahrdrehmoment, ideale Antriebe für Schienenfahrzeuge.
  • Bei Straßenbahnen und U-Bahnen erfolgt die Speisung direkt über 3 kV Gleichstrom. Dieser wird in Gleichrichterstationen entlang der Strecke aus Drehstrom, welcher aus Umspannwerken des Verteilnetzes zugeführt wird, gewonnen. 
  • Bei Fernzügen ist es wirtschaftlicher das Bahnstromnetz als Einphasen-Wechselstrom-Netz zu betreiben. Im DACH-Raum sowie in Norwegen und Schweden hat man sich für 16,7 Hz bei 15 kV Fahrdraht-Spannung entschieden. Die Lokomotive führt dabei eine Stelltransformator mit. 
• Der Einsatz von Leistungselektronik ermöglicht heute den Einsatz von umrichtergespeisten Drehfeldmaschinen und somit den Wegfall von verschleißbehafteten bürstenbasierten mechanischen Kommutatoren. Heute werden der Leistungsteil, der Steuerteil und die elektronisch kommutierte Maschine als Einheit hergestellt, die es zudem ermöglicht zwischen Netzen mit 16,7 Hz und solchen mit 50 Hz (Frankreich,...) ohne Lokomotivenwechsel zu verkehren.

Gleichstrom-Verbundmotoren

Beim Gleichstrom-Verbundmotor (auch Doppelschluss- oder Compoundmotor) wird ein Teil der Hauptpolwicklung wie bei der Reihenschlussmaschine in Serie zur Ankerwicklung und der andere Teil der Hauptpolwicklung wie bei der Nebenschlussmaschine parallel zur Ankerwicklung geschaltet. Diese Kombination verleiht dem Verbundmotor folgende Eigenschaften:

• Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und somit ein gutes Anlaufverhalten auf Grund der Reihenschlusswicklung
• Stetige Drehzahlregelung da durch die Nebenschlusswicklung die Drehzahl des Motors stufenlos geregelt werden kann.

Gleichstrom Verbundmotoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen erforderlich sind, z. B. in Aufzügen, Kränen und Elektrofahrzeugen.

Bürstenlose Gleichstrommaschine - BLDC Maschinen (Brushles Direct Current)

Heute kommen zunehmend bürstenlos kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz, deren Aufbau mehr einer selbstgeführten Synchronmaschine als einer konventionellen Gleichstrommaschine entspricht.

Wir vergleichen die BLDC-Maschine nachfolgend mit einer Gleichstrommaschine, die über einen Kommutator verfügt.

• Im Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors befinden sich Permanentmagnete (und nicht im Stator).
• Im Stator befindet sich in Nuten eine dreiphasige Drehstrom-Erregerwicklung, die elektronisch so angesteuert wird, dass ein magnetisches Drehfeld entsteht (und nicht ein Gleichfeld).
• Eine Dreiphasen BLCD-Maschine hat 3 Erregerspulen am Stator und 3 Pole, die von den Permanentmagneten am Rotor stammen.
• Das Drehmoment entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem Erregerfeld ausgehend vom Stator und dem Feld der Permanentmagneten im Rotor.
• Der Betriebsstrom fließt in den in Nuten befindlichen Drehstromwicklungen im Stator (und nicht im Rotor).
• Eine Elektronik überwacht die Position der sich mit dem Rotor drehenden Permanentmagnete mittels eines Positionsgebers (z.B. 3 Hall-Sensoren) und schaltet die Stromrichtung in den Erregerwicklungen im Stator so um, dass ein umlaufendes Drehfeld entsteht, und ein Drehmoment auf den Rotor einwirkt.
• Statt einer Kommutierung des Ankerstroms im Läufer findet also eine leistungselektronische Schaltung der Stromrichtung in den Erregerwicklungen des Stators statt. Die Drehzahlregelung einer BLDC-Maschine erfolgt durch die Regelung der Spannung bzw. der Frequenz in den Erregerwicklungen.

Synchronmaschinen

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Synchronmaschinen

Synchronmaschinen sind rotierende elektrische Maschinen, in denen der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators umläuft. In der Elektro-Energietechnik werden sie überwiegend als Generator betrieben, als Motor finden sie in der Elektromobilität Anwendung.

Die Synchronmaschine ist heute als Drehstromgenerator der Erzeuger elektrischer Energie schlechthin. Ihre Leistung liegt zwischen 500 – 1000 MW bei Wasserkraftgeneratoren und über 2000 MW bei 4 poligen Turbogeneratoren. Entscheidend für solche Leistungen ist eine aktive Kühlung im Läufer.

Als Motor hat die Synchronmaschine im industriellen Bereich geringe Bedeutung, kommt aber als drehzahlvariabler Antrieb etwa als Hauptantrieb für Elektrofahrzeuge zum Einsatz.

Stator oder Ständer, zugleich Anker

Der Stator ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine und besteht aus geschichteten Blechen. Der Stator der Synchronmaschine besitzt eine in Nuten liegende Drehstromwicklung, die ein dreisträngiges Drehfeld bewirkt.

Im Ständer großer Synchronmaschinen, speziell von Turbogeneratoren, liegen aus isolationstechnischen Gründen praktisch ausschließlich 2 Leiter je Nut, also ein Leiter in der Ober- und ein Leiter in der Unterschicht.  Damit die Leiterströme den Leiterquerschnitt gleichmäßig ausfüllen, erfolgt eine Unterteilung in zahlreiche Teilleiter, sogenannte Roebelstäbe, die zudem um 360° auf die Paketlänge verdrillt sind.

Der Anker ist jene Wicklung einer elektrischen Maschine, in die vom Erregerfeld eine Spannung induziert wird. Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes. Bei der Synchronmaschine ist daher der Stator zugleich der Anker.

Es ist daher generell falsch, Stator mit Rotor bzw. Läufer – wie bei der Gleichstrommaschine – gleichzusetzen.

Luftspalt

Da die Erregung aus einem lokalen Gleichstromnetz über das Polrad erfolgt, ist man bei der Wahl der Luftspaltbreite nicht eingeschränkt. Übliche Luftspaltbreiten starten bei wenigen mm und gehen auch über 10 cm hinaus.

Läufer oder Polrad

Der Synchrongenerator besitzen ein mit Gleichstrom oder durch Permanentmagnete erregtes Polrad. Im Unterschied zur Gleichstrommaschine befinden sich ausgeprägte Pole also nicht am Ständer, sondern am Läufer (Schenkelpolmaschine) oder kommen gar nicht vor (Vollpol-, Turbo- oder Trommelläufer). Beim Vollpolläufer liegt die Erregerwicklung in Nuten in axialer Richtung des zylindrischen Laufkörpers.

Schenkelpolmaschine

Läufer für kleinere Drehzahlen besitzen ausgeprägte Pole mit massiven oder geblechten Polkernen. Einen derartigen Läufer bezeichnet man auch als Polrad, die Synchronmaschine ist dann eine Schenkelpolmaschine. Das Polrad besteht aus einem Polschaft, auf dem sich die gleichstromdurchflossen Erregerwicklung befindet und einem Polschuh, in dem sich Dämpferstäbe befinden können.

Die Dämpferstäbe liegen auf der dem Luftspalt zugewandten Seite der Polschuhe und bestehen aus Kupferstäben von kräftigem Querschnitt. Sie sind an der Stirnseite des Läufers zu einem sogenannten Dämpferkäfig zusammengeschlossen. Der Dämpferkäfig dient dazu Drehzahlschwankungen zufolge Oberfelder der Synchronmaschine zu dämpfen.

Vollpolmaschine

Läufer für höchste Drehzahlen werden  als Trommel- oder Turboläufer ausgeführt und auch Vollpolmaschine genannt. Hier ist der Läufer ein runder glatter Zylinder, ohne geometrisch ausgeprägte einzelne Pole und die Erregerwicklung sitzt in Nuten dieses Zylinders.

Klassifikation von Synchronmaschinen nach deren Erregung

• Elektrisch erregte Maschinen, als Generatoren am starren Netz,  bieten die Möglichkeit die Erregung zu verändern
  • Schenkelpolmaschine, ausgeprägte magnetische Achsigkeit
  • Vollpolmaschine, ohne magnetischer Achsigkeit
• Permanentmagnet erregte Maschine, ohne der Möglichkeit die Erregung zu verändern
  • Permanent erregte Maschinen (PMSM), als drehzahlvariable Motoren mit Umrichterspeisung für das Ständerfeld,  
    • Oberflächenmagnete
    • vergrabene Magnete (liegen im Inneren des Polrades)
  • Radnabenmaschine, dabei handelt es sich um permanent erregte Synchronmotoren, die direkt in den Rädern von Kraftfahrzeugen untergebracht sind und diese antreiben, wodurch der Antriebsstrang (Getriebe, Kardanwelle, Differential) wegfällt. Innen liegt der Stator mit einer Drehfeldwicklung, außen liegt das Polrad.
• Synchronmaschinen ohne Erregung
  • Reluktanzmaschinen (SRM), das sind Synchronmaschinen ohne Erregung. Das Drehmoment basiert nicht auf der Lorentzkraft. Der Stator ist wie bei Synchronmaschinen aufgebaut. Der Rotor weist durch Barrieren für den magnetischen Fluss eine ausgepräge magnetische Achsigkeit auf und läuft synchron mit dem Drehfeld des den Stator speisenden Netzes um.

Drehzahl der Synchronmaschine

Die Drehzahl ist starr an die Netzfrequenz gebunden und hängt nur von der Polpaarzahl wie folgt ab:
\(n = \dfrac{f}{p}\)

Bei f=50 Hz ergeben sich folgende diskrete Drehzahlen:

• p=1: n=3000 U/min; Maschine hat 2 Pole
• p=2: n=1500 U/min; Maschine hat 4 Pole
• p=3: n=1000 U/min; Maschine hat 6 Pole

Wegen der hohen Drehzahl und der damit verbundenen Fliehkräfte wird der Läufer von 2 und 4-poligen Maschinen meist nicht mit einem Polrad, sondern als Vollpolläufer (Trommel- oder Turboläufer) ausgeführt.

Erregerwicklung

Dem Polrad wird über Schleifringe ein Gleichstrom zugeführt, und dadurch ein Gleichfeld erzeugt. Der so erzeugte magnetische Fluss geht von einem Pol des Läufers durch den Luftspalt, die fixe Stator-Drehstromwicklung und schließt sich über den Ständer zum Gegenpol des Läufers.

Zufolge der mechanischen Drehung des Polrads durch eine Turbine (Wasser, Dampf) wandert das Maximum der Induktion entlang des Ständerumfangs, wodurch das Gleichfeld des Polrads als Drehfeld für den Stator wirkt. In einem Leiter, der sich in seiner Nut am Ständerumfang befindet, wird eine Spannung induziert.

Ruheinduktion e_ir - Spule ruht

Durch die zeitliche Änderung eines magnetischen Feldes B, welches vom Polrad erzeugt wird, entsteht im ganzen umgebenden Raum ein elektrisches Wirbelfeld, wodurch eine Urspannung in die ruhenden Spulen des Ständers (daher: Anker) induziert wird.

Das Flächenintegral über alle durch die Änderung der magnetischen Flussdichte B gemäß der 2. maxwellschen Gleichung verursachten Wirbel des elektrischen Feldes E ergibt:
\({e_{ir}} = \mathop \smallint \limits_A rot\vec E \cdot d\vec A = - \mathop \smallint \limits_A \dfrac{{\partial \vec B}}{{\partial t}}\,d\vec A\)

Die Höhe der induzierten Spannung ist proportional zur Drehzahl und ist nichtlinear abhängig vom Erregerstrom bzw. der Magnetisierungskennlinie.

Dämpferwicklung

In den Polschuhen des Polrads können in Nuten Rundstäbe angebracht werden, die an der Stirnseite der Polschuhe zu einem Käfig kurzgeschlossen werden.

Strangwicklung im Stator

Es handelt sich um eine Drehstromwicklung, welche mit dem 3-phasen-Drehstromnetz verbunden ist.

Gemeinsam ist allen Synchronmotoren, das vom Stator ein umlaufendes Drehfeld erzeugt wird, welches mit dem Gleichfeld des Läufers so wechselwirkt, dass ein Drehmoment ausgeübt wird. Das Gleichfeld des Läufers stammt entweder aus einem Gleichstrom-Nebenschlussgenerator (Fremderregte Synchronmaschine) oder von Permanentmagneten (PMSM).

In einem Synchrongenerator ist es die Urspannung, die dafür sorgt, dass durch die mechanisch verursachte Bewegung des Rotors, dem über Schleifringe ein Erreger-Gleichstrom zugeführt wird, oder der über Permanentmagnete verfügt, ein sich drehendes Erregerfeld entsteht, wodurch im Stator eine Spannung induziert wird. Diese induzierte Spannung treibt einen Strom durch ein an den Statorklemmen angeschlossenes Netz mit zugeschalteten Verbrauchern.

Ankerrückwirkung

Ständer- und Läuferfeld ergeben ein resultierendes Luftspaltfeld. Bei Belastung der Synchronmaschine fließt im Anker ein Drehstrom, welcher, so wie das Polrad, ein Drehfeld erzeugt. Die beiden Drehfelder überlagern sich zu einem resultierenden Drehfeld im Luftspalt.

Polradwinkel

Der wirklastabhängige Polradwinkel \(\delta \), auch Lastwinkel genannt, ist der Winkel zwischen der Polradspannung und dem Drehfeld des Stators.

• Im Generatorbetrieb eilt das Polrad dem Synchronfeld voraus, läuft aber synchron dazu um.
• Im Motorbetrieb hinkt das Polrad dem Synchronfeld nach, läuft aber synchron dazu um.

Bei Nennleistung liegt der Polradwinkel bei 20° bis 30°.

Für einen stabilen Betrieb darf der Betrag des Polradwinkels 90° nicht überschreiten, sonst kippt die Maschine. Dabei kann die Maschine im Generatorbetrieb durchgehen, d.h. über die Bemessungsdrehzahl hinaus beschleunigen. Im Motorbetrieb pendelt die Maschine und erzeugt kein externes Drehmoment.

Synchronmaschine am Netz

Speist eine einzelne Synchronmaschine in ein elektrisches Drehstromnetz, spricht man vom Inselbetrieb.

Andernfalls wird die Synchronmaschine zunächst im Leerlauf auf die netzsynchrone Drehzahl hochgefahren und anschließend mit dem Verbundnetz, in dem sich andere Synchronmaschinen befinden, synchronisiert.

Ein zeitlich konstantes Drehmoment kann nur dann gebildet werden, wenn das vom Ständer und das vom Läufer erzeugte Feld synchron umlaufen. Beim Anlauf einer Synchronmaschine ist die Erregerwicklung am Läufer zunächst nicht erregt, daher kann kein Drehmoment erzeugt werden, welches den Läufer in den Synchronismus zieht. Daher kann die Synchronmaschine nicht von allein anlaufen. Sie benötigt eine Anlaufhilfe, die dafür sorgt, dass die mechanische Drehung des Läufers geringfügig unter der magnetischen Drehzahl des vom Ständer ausgehenden Drehfeldes liegt. Dazu kann ein Startmotor dienen. Bei einem unbelasteten Synchronmotor kann man auch den Dämpferkäfig als Anlaufkäfig missbrauchen, wodurch sich der anlaufende Synchronmotor temporär wie ein Asynchronmotor verhält.

Um eine Synchronmaschine mit dem Netz zu synchronisieren, muss die Drehzahl der Maschine, die Spannung der Maschine und die Phasenfolge der Maschine mit der Drehzahl, der Spannung und der Phasenfolge des Netzes übereinstimmen.

• Die Drehzahl der Maschine kann durch die Erregung der Maschine geregelt werden.
• Die Spannung der Maschine kann durch die Einstellung des Erregerstromes geregelt werden.
• Die Phasenfolge der Maschine kann durch die Anordnung der Leiter im Stator oder im Läufer geregelt werden.

Das Synchronisieren der Synchronmaschine mit dem Netz erfolgt in mehreren Schritten:

• Anfahren der Maschine: Die Maschine wird mit einer Drehzahl angetrieben, die unterhalb der synchronen Drehzahl liegt.
• Erregung der Maschine: Die Polradwicklung der Maschine wird mit einem Erregerstrom erregt. Dadurch wird ein magnetisches Feld erzeugt, das mit dem Läufer rotiert.
• Regelung der Spannung: Die Spannung der Maschine wird so eingestellt, dass sie der Spannung des Netzes entspricht.
• Kontrolle der Phasenfolge: Die Phasenfolge der Maschine wird mit einem Phasenschieber oder einem Nullspannungsinstrument kontrolliert.
• Schließen des Generatorschalters: Der Generatorschalter wird geschlossen und die Maschine wird an das Netz angeschlossen.

Von nun an gibt die Netzfrequenz die Drehzahl des Maschinensatzes (GS-Erreger- plus Synchronmaschine) vor. Über eine Steigerung vom Erregerstrom aus der Gleichstrommaschine kann die Synchronmaschine als Motor oder über eine Reduktion vom Erregerstrom aus der Gleichstrommaschine als Generator genutzt werden. In beiden Fällen ändert sich der Polradwinkel, der nur im Leerlauf Null ist.

Generatorbetrieb

Im Generatorbetrieb wird der Läufer von einer mechanischen Kraftmaschine (Turbine) angetrieben. Der Gleichstrom in der Erregerwicklung erzeugt ein relativ zum Läufer stillstehendes Magnetfeld. Zufolge der Drehung des Läufers verhält sich dieses Erregermagnetfeld relativ zum Ständer aber als Drehfeld.  Dieses Drehfeld induziert in den drei Strängen der Ständerwicklung drei Spannungen, zwischen denen ein Phasenverschiebungswinkel von 120° besteht. Dem Ständer kann daher Drehstrom entnommen werden.

Die induzierte Spannung hängt dabei vom Erregerstrom und von der Drehzahl des Läufers ab. Da die Frequenz der induzierten Spannungen meist vorgeschrieben ist, wird die Spannung mit dem Erregerstrom eingestellt.

Motorbetrieb

Im Motorbetrieb erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Magnetfeld. In diesem muss der Rotor, mit seinem von Gleichstrom oder Permanentmagneten erzeugten Läuferfeld, mit der synchronen Drehzahl umlaufen. Die Drehzahl des Synchronmotors wird durch die Frequenz oder Amplitude der Strangströme im Stator geregelt.

• Im Leerlauf, d.h. wenn der Rotor nicht belastet wird, ist der Nordpol des Rotors immer auf den Südpol des Stators ausgerichtet und umgekehrt.
• Steht der Rotor jedoch unter Last, entsteht ein zunehmender Winkelversatz zwischen Stator- und Rotorfeld, der so genannte Polradwinkel. Unter Einwirkung des bremsenden Moments, bleibt der Rotor lediglich zum Erregerfeld um den Polrad- oder Lastwinkel zurück, läuft aber weiterhin mit der synchronen Drehzahl.

Die mechanische Belastung kann so lange erhöht werden, bis der Polradwinkel 90° beträgt, d.h. bis der magnetische Nordpol des Rotors auf den magnetischen Nordpol des Stators zeigt. An diesem Punkt entsteht das Auszugsdrehmoment, das maximal erzeugbare Drehmoment.

Wird der Rotor weiter belastet, reduziert sich das erzeugte Drehmoment mit dem wachsenden Polradwinkel und reicht nicht mehr aus, um den Rotor synchron magnetisch mitzuziehen. Dadurch wird der Rotor zu einer anderen als der synchronen Drehzahl gezwungen, was zur Folge hat, dass der Rotor seine Lage zum Drehfeld fortwährend ändert, sodass die elektromagnetische Kraftwirkung ihn abwechselnd nach vorne zieht und dann wieder zurück, sodass das im Mittel entstehende Moment Null ist. Man spricht dann vom Kippen bzw. Außertrittfallen des Motors, was das Ende eines regulären Betriebszustandes ist und neben der Geräuschentwicklung zu Schäden an der Maschine und den nachgeschalteten Getrieben führen kann.

Fremderregte Synchronmaschine

Oft sitzt auf der Läuferwelle des Synchrongenerators auch der Anker des, seinerseits selbsterregten, Erreger-Gleichstrom-Nebenschlussgenerators.

Die Erregerwicklungen der Synchronmaschine werden von einem Gleichstrom durchflossen. Dieser Erregerstrom wird gewöhnlich durch eine separate Erregermaschine, einem Gleichstrom-Nebenschlussgenerator, geliefert und dem Rotor der Synchronmaschine über Schleifringe zugeführt.  Der Aufbau als Innenpolmaschine hat den Vorteil, dass die Hochspannung (10 kV) und der Hochstrom (10 kA) bei einer 100 MW Maschine, dem festen Ständer entnommen wird, während lediglich der kleine Erregerstrom über Schleifringe zugeführt werden muss.

Der kostengünstigere fremdstromerregte Synchronmotor hat gegenüber der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) den Vorteil, dass die Stärke des Erregerfeldes über den Gleichstrom in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl eingestellt werden kann.

Der Nachteil ist jedoch, dass im Vergleich zur PMSM elektrische Verluste im Rotor auftreten, die den Wirkungsgrad der Maschine verringern. Außerdem muss wieder ein Weg gefunden werden, den Gleichstrom an den rotierenden Rotor anzulegen.

Permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM)

Die fremderregte Synchronmaschine braucht in beiden Betriebsarten, also Motor oder Generator, Gleichstrom für die Erregung. Ihr Betrieb ist also vom Vorhandensein einer Gleichstromquelle abhängig, es sei denn man erzeugt das Rotorfeld durch Permanentmagnete. In diesem Fall spricht man von einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM).

Werden PMSMs im Motorbetrieb eingesetzt, ist eine Leistungselektronik notwendig, welche die Belastung des Rotors überwacht und ggf. den Antrieb bei zu hoher Belastung vor dem Abwürgen, etwa durch Variation des Statorstroms oder Abschaltung des Motors, schützt.

Permanentmagneterregte Maschinen haben - auch im Vergleich zu anderen Elektromotoren - einen sehr hohen Wirkungsgrad, dank fehlender elektrischer Verluste im Rotor und eine hohe Leistungsdichte, weshalb die PMSMs häufig für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden.

Moderne Hochenergiemagnete wie Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) ermöglichen eine besonders kompakte Bauweise, stellen aber gleichzeitig eine der größten Schwächen dieser Elektromotorenkonzepte dar: die hohen Materialkosten und eine teilweise ökologisch und ethisch höchst umstrittene Gewinnung in Drittweltländern.

Asynchronmaschinen 

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Asynchronmaschinen (ASM) sind rotierende elektrische Maschinen, in denen der Rotor im Motorbetrieb untersynchron bzw. im Generatorbetrieb übersynchron zum Drehfeld des Stators umläuft.

Zufolge des extrem einfachen mechanischen Aufbaus, seiner Robustheit und des minimalen Wartungsanspruchs, ist der Drehstrom Asynchronmotor - speziell in der Ausführung als Kurzschlussläufer - heute in der Industrie der elektrische Antriebsmotor schlecht hin. Die pro Einheit aufgeführten Leistungen reichen von einigen Watt bis zu mehreren MW.

Stator oder Ständer

Der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine sind praktisch gleich.  Beim ständergespeisten Motor

• enthält der Ständer die Primär- oder Erregerwicklung und der Läufer die Sekundärwicklung. Entsprechend bezeichnet man ständerseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 1 und läuferseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 2.
• liegt die Primärwicklung an dem speisenden Netz und somit an dessen konstanter Frequenz (z.B.: 50 Hz; 16 2/3 Hz). Daher läuft auch das Erreger-Drehfeld mit dieser konstanten synchronen Drehzahl relativ zum Ständer um.

Bei der Asynchronmaschine erzeugt der Drehstrom, der vom speisenden Netz den Wicklungen im Ständer zugeführt wird, ein von den Ständerwicklungen ausgehendes magnetisches Drehfeld. Zufolge der Lorenzkraft,
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)

die somit auf den - auf einer Welle sitzenden - Anker einwirkt, dreht sich dieser. Das so erzeugte mechanische Drehmoment der Welle kann zum Antrieb von industriellen Geräten verwendet werden.

Im Stillstand wirken die dreiphasige Ständerwicklung und die dreiphasige Läuferwicklung wie bei einem Transformator zusammen, wenngleich es auf Grund des beim Trafo nicht vorhandenen Luftspalts von bis zu 1cm zwischen Stator und Läufer zahlenmäßige Unterschiede gibt. Das durch das speisende Feld erzeugte Ständerdrehfeld induziert in der Läuferwicklung eine Spannung. Die im Stillstand des Läufers gemessene Spannung wird als Läuferstillstandsspannung bezeichnet und wird zusammen mit der Ständerspannung auf dem Leistungsschild angegeben:
\({\rm{\Delta 380V - 187A; 1460U/Min; 50Hz; Läufer Y245V - 248A}}\)

Luftspalt

Da Asynchronmaschinen grundsätzlich ohne ausgeprägte Pole hergestellt werden, da also sowohl die Stator- als auch die Rotorwicklung, so es überhaupt eine gibt (Schleifringläufer), in Nuten liegen, ist der Luftspalt über den Umfang konstant. Der Luftspalt wird so klein wie mechanisch möglich ausgeführt.

Läufer

Während der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine praktisch gleich sind, unterscheiden sich die Läufer.

• Bei der Synchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
  • Schenkelpol und
  • Trommel- bzw. Turboläufer

zum Einsatz.

• Bei der Asynchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
  • Kurzschluss – bzw. Käfigläufer
  • Schleifringläufer und

zum Einsatz.

Bei der Synchronmaschine betrachtet man den Polradwinkel, während es bei der Asynchronmaschine zum Schlupf kommt.

Wir betrachten jeweils den Motorbetrieb

• Bei der Synchronmaschine im Motorbetrieb erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Magnetfeld. In diesem muss der Rotor, mit seinem von einem extern stammenden Gleichstrom oder Permanentmagneten erzeugten Läufergleichfeld, mit der synchronen Drehzahl umlaufen. Die beiden Felder drehen mit der gleichen Frequenz und sind gegeneinander lediglich um den Polradwinkel verschoben.
   
• Beim Asynchronmotor im Motorbetrieb erfolgt keine Erregung, es befinden sich auch keine Permanentmagnete am Rotor, sondern spätestens nach dem Hochlauf werden die Läuferwicklungen sogar kurzgeschlossen.

  Ausgehend von den Drehstromwicklungen des Stators erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Stator-Magnetfeld. Dieses induziert in den kurzgeschlossenen Läufer Ströme, die ihrerseits ein Läuferdrehfeld bewirken. Auf Grund dieser Induktion nennt man die Asynchronmaschine auch Induktionsmaschine.

  Unabhängig von der Läuferdrehzahl laufen das erregende Ständer- und das induzierte Läuferdrehfeld immer gleich schnell um. Die stillstehende ASM verhält sich also wie ein Trafo.

  Die beiden Drehfelder bilden ein Drehmoment, welches den Läufer dem Ständerdrehfeld nachlaufen lässt, wodurch der Motor auf Touren kommt. Würde der Läufer exakt die Umlaufzahl von Ständerdrehfeld erreichen, würde mangels Relativbewegung die Induktionswirkung aufhören und es würde kein Drehmoment mehr wirken.

  Die Drehzahl des unbelasteten Motors ist daher geringfügig kleiner als die Drehzahl des Erregerfeldes.

  Belastet man den hochgelaufenen Motor, so sinkt dessen Drehzahl bei steigendem Drehmoment weiter, es kommt zum Schlupf. D.h. die Drehzahl des Läufers ist dauerhaft kleiner als die Drehzahl des Ständer-Erregerfeldes.

Kurzschluss- bzw. Käfigläufer

Kurzschlussläufer sind billig herzustellen und sind wartungsarm (keine Bürsten), kostengünstig und robust. In den Nuten des Läufers liegen Stäbe, die beiderseits des Blechpakets mit Kurzschlussringen kurzgeschlossen werden. Die Stäbe und die beidseitigen Kurzschlussringe bilden den Käfig, der gleichzeitig das Läuferblechpaket zusammenhält.

Bei Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer hat nur der Stator eine Drehstromwicklung.

Bei der Ausführung als Rundstabläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakets

• runde Stäbe aus Aluminium oder Kupfer.

Bei der Ausführung als Stromverdrängungsläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakts

• ein äußerer Stab aus Messing mit hohem Widerstand für den Anlauf und
• ein innerer Stab aus Kupfer mit niederem Widerstand für den Dauerbetrieb.

Stromverdrängungsläufer haben einen kleinen Anzugstrom aber ein großes Anzugsmoment. Nachteilig ist, dass der Nutquerschnitt ziemlich groß ist, wodurch die Streuung größer ist als beim Rundstabläufer und der Leistungsfaktor bzw. der Wirkungsrad niedriger ausfallen.

Moderne Kurzschlussläufermotoren kommen mit Frequenzumrichter zum Einsatz.

Schleifringläufer

Wenn von dem Netzbetreiber billige Kurzschlussmotoren wegen ihres erhöhten Anzugstroms im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann, nicht zugelassen werden, oder wenn ein besonders hohes Anzugsmoment verlangt wird, oder wenn eine Drehzahlregelung des Motors ohne Frequenzumrichter erforderlich ist, kommen ASM mit Schleifringläufer zum Einsatz.

Bei ASM mit Schleifringläufer haben sowohl der Stator als auch der Läufer eine Drehstromwicklung.

Die Läuferwelle trägt das Blechpaket und an einer Seite vom Blechpaket die drei isoliert auf der Achse sitzenden Schleifringe. Die elektrische Verbindung zu den drei Schleifringen wird durch drei am Stator befestigten Kohlebürsten hergestellt.

In den Nuten des Läuferblechpakets ist die Läuferwicklung untergebracht, die fast immer drei Stränge hat, welche auf der den Schleifringen vis-a-vis gelegenen Seite des Blechpakets meist in Stern, selten in Dreieck geschaltet sind, wobei diese Schaltung innerhalb der Wicklung stattfindet.

Nach dem Anlassen des Motors mittels externer Anlasswiderstände wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen und die Bürsten werden abgehoben. Ein zusätzlicher Kostenfaktor im Vergleich zum Kurzschlussläufer sind die zur Begrenzung des Anlaufstroms erforderlichen Anlasswiderstände.

Motorbetrieb

Die wichtigste Betriebsart der Asynchronmaschine ist die als Drehstrommotor.  In einem Elektromotor ist es die Lorenzkraft, die dafür sorgt, dass sich der Anker unter der Einwirkung des, von den Wicklungen im Stator ausgehenden, Magnetfelds dreht.

\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)

Für den gewöhnlichen Motorbetrieb kommt der untersynchrone Drehzahlbereich, vom

• Stillstand mit n=0 und Schlupf s=1 bis zum
• Synchronismus mit n=n_s und Schlupf s=0 in Betracht.

Der Läufer folgt aus dem Stand dem Drehfeld im gleichen Sinn.

Bewegt sich der rotierende Läufer im Grenzfall synchron mit dem von Ständer her magnetisierenden Drehfeld, dann steht die Läuferwicklung relativ zum Drehfeld still. Damit ändert sich die Flussverkettung nicht mehr und die induzierte Spannung ist null. \(\dfrac{{d\Phi }}{{dt}} = 0 \to {U_2} = 0\)

Für beliebige Winkelgeschwindigkeiten des Läufers zwischen Stillstand und synchroner Winkelgeschwindigkeit \(\left( {0 < {\omega _m} < {\omega _s}} \right)\) ist die in die Läuferwicklung induzierte Spannung U₂ proportional zur Relativgeschwindigkeit des Läufers gegenüber dem Drehfeld des Stators.

Schlupf

Als Schlupf \(s = \dfrac{{{n_s} - n}}{{{n_s}}} \cdot 100\% \) bezeichnet man den Unterschied zwischen der synchronen Drehzahl n_s des Statorfeldes und der tatsächlichen physikalischen Drehzahl des Läufers n.

• Bei der Synchronmaschine dreht sich der Rotor immer synchron zum vom Stator generierten Drehfeld. Die Synchronmaschine hat also im stabilen Betrieb s=0; Der Rotor kann dem Drehfeld lediglich um den Polradwinkel vorlaufen oder nachhinken.
• Eine Asynchronmaschine geht in den motorischen Zustand über, wenn der Läufer zufolge einer externen Belastung mit einer untersynchronen Drehzahl umläuft.
• Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann negativ \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\)
• Eine Asynchronmaschine mit stillstehendem Läufer verhält sich wie ein Trafo, bei dem das Wechselfeld durch ein Drehfeld ersetzt wurde.

Drehzahl der Asynchronmaschine

Die Nenndrehzahl des Drehstrommotors liegt bei etwa 1% .. 6% unterhalb der synchronen Drehzahl, also der des speisenden Netzes. Bei Nenndrehzahl beträgt der Schlupf 3% .. 8%. Ein größerer Schlupf erhöht die induzierte Spannung und damit den Läuferstrom, sowie dessen Frequenz und steigert das abgegebene Drehmoment.

Der dreiphasig gewickelte Schleifringläufer bietet die Möglichkeit die Drehzahl bis auf etwa 75% der Nenndrehzahl herunterzuregeln.

Die Drehmoment- über Drehzahl-Kennlinie kann in der Nähe der synchronen Drehzahl durch eine Gerade dargestellt werden. Die Neigung dieser Geraden kann durch das Zuschalten von Widerständen im Läuferkreis verändert werden, wodurch bei gleichbleibendem Moment eine Drehzahlstellung möglich wird, allerdings zu Lasten des Wirkungsgrads und auf Schleifringläufer beschränkt.

Beim Ausfall einer der drei Netzphasen etwa durch das Auslösen einer Sicherung, läuft der Drehstrommotor als Einphasenmotor weiter, wobei die Gefahr besteht, dass der Motor kippt und stehen bleibt.

Anlauf vom Aynchronmotor

Unabhängig von der Bauform des Läufers kann man unerwünscht hohe Anzugsströme der ASM auch ständerseitig reduzieren.

Man kann den Anzugstrom durch Verminderung der Klemmenspannung herabsetzen, leider reduziert sich damit das Anzugsmoment stark. Die Klemmenspannung kann auf mehrere Arten temporär vermindert werden: Mittels eines Spartrafos oder mittels eines Stern-Dreieck-Umschalters.

Beim Stern-Dreieck-Umschalter läuft die Maschine immer an derselben vorgegebenen  Netzspannung (U_LL=400V) zunächst in Sternschaltung der Ständerwicklung an, während der Betrieb der Maschine in Dreieckschaltung der Ständerwicklung erfolgt.

Der Anlaufstrom und leider auch das Anlaufmoment betragen in der Sternschaltung nur 1/3 der Werte der Dreieckschaltung. Wenn der Motor in Sternschaltung fast die synchrone Drehzahl erreicht hat, nimmt ihn der Stern-Dreieckschalter kurzzeitig vom Netz und schaltet den Motor dann in Dreieckschaltung wieder ans Netz. Durch das verminderte Anlaufmoment kann der Motor i.a. nicht unter Last hochlaufen, sondern diese muss durch eine Fliehkraftkupplung bei Nenndrehzahl zugeschaltet werden.

Anlasswiderstand

Man kann bei ASM mit Schleifringläufer in Reihe zu den drei Wicklungssträngen des Läufers einen dreiteiligen, regelbaren Widerstand schalten, der beim Anlassen voll eingeschaltet ist, wodurch der Läuferstrom I₂ (Sekundärstrom) und auf Grund der Trafowirkung des ASM auch der Primärstrom im Ständer reduziert werden, was sich netzschonend auswirkt.

Dieser Anlasswiderstand befindet ausschließlich im Läuferkreis, er ist mit dem Drehstromsystem nicht in leitender Verbindung. Der Anlasswiderstand setzt aber nicht nur den Anzugstrom herab, sondern er bewirkt auch, zufolge des nun erhöhten ohmschen Widerstands, eine Verminderung der Phasenverschiebung zwischen dem Läuferstrom und dem Drehfeld, die ohne Anlasswiderstände knapp 90° beträgt. Dadurch entsteht eine Vergrößerung des Anzugsmoments bei noch kleiner Drehzahl.

Sobald sich der Läufer in Drehrichtung dreht, wird die Frequenz des Läuferstroms kleiner. (Würde der Läufer synchron mit dem Drehfeld umlaufen, würde die induzierte Wechselspannung zur Gleichspannung werden). Da die Frequenz gemäß \({X_L} = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot L\) in den Blindwiderstand der Läuferwicklung eingeht, bleibt der frequenzunabhängige Wirkwiderstand der Läuferwicklung unverändert. Daher verbessert sich bei höheren Drehzahlen die Lage der Läuferpole zu den Ständerpolen und das Drehmoment nimmt zu. Um die auftretenden Wärmeverluste zu vermeiden, schaltet man die einzelnen Widerstandsstufen des Läuferanlassers nacheinander ab. Der Schleifringläufermotor hat trotz des kleinen Anzugstroms ein großes Anzugsmoment. 

Selten vorkommende Ständeranlasser reduzieren zwar auch den Anlaufstrom durch ihren Spannungsabfall, jedoch sinkt das Anzugsmoment quadratisch.

Anzugstrom

Der Nachteil von ASM ist der hohe Anzugstrom im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann. Er entsteht, weil der Läufer im ersten Einschaltaugenblick stillsteht, sodass das Ständerdrehfeld mit seiner vollen Periodenzahl von 50Hz induzierend auf die Läuferstäbe einwirkt. Dabei entstehen eine hohe Urspannung und ein hoher Läuferstrom.

Dieser Läuferstrom erzeugt ein Gegenfeld, wodurch das Ständerdrehfeld geschwächt wird und im Ständer ein starker Stromstoß auftritt. Sekundenbruchteile später setzt sich der Läufer in Bewegung und läuft dem Ständerdrehfeld nach. Damit sinkt die Zahl der geschnittenen Feldlinien und damit die Urspannung, sowie Läufer- und Ankerstrom.

Bei Leerlauf erreicht der Läufer fast die synchrone Drehzahl des Statordrehfeldes - der Schlupf ist minimal - wodurch die induzierte Spannung und entsprechend die Ströme sehr gering werden.

Anzugsmoment

Im Einschaltaugenblick wird im stillstehenden Läufer eine Wechselspannung mit vollen 50Hz induziert. Der induktive Widerstand - mit nur kleinem ohmschem Anteil - des Ankers kommt voll zur Geltung, wodurch sich eine Phasenverschiebung von fast 90° zwischen der im Läufer induzierten Spannung und dem sehr hohen Statorstrom ergibt. Lediglich infolge vom ohmschen Widerstand entsteht ein kleines Anzugsdrehmoment.

Mit zunehmender Läuferdrehzahl wird die Phasenlage günstiger und obwohl der Läuferstrom sinkt, steigt das Anzugsmoment. Bei einem Schlupf von ca. 25% hat das Drehmoment sein Maximum. (Im Leerlauf hat es sein Minimum). Bei weiterhin zunehmender Läuferdrehzahl fällt das Drehmoment wieder ab, da es bei einer synchronen Drehzahl zufolge des dann fließenden Gleichstroms im Läufer Null sein müsste.

Generatorbetrieb

Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch, durch eine Turbine,  angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann, wie schon weiter oben angegeben, negativ gemäß: \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\). Da der Asynchrongenerator keine konstanten 50 Hz liefert, kann er auch nicht direkt in das elektrische Verbundnetz einspeisen.

Ein Asynchrongenerator kann aber seinen Magentisierungsstrom, also die Blindkomponente des Ständerstroms, nicht selbst erzeugen, sondern muss ihn aus dem Netz, in das der Asynchrongenerator seine Leistung einspeist, entnehmen. Das bedingt, dass der Blindstrom für die Erregung von einem im Netz erforderlichen Synchrongeneratoren geliefert werden muss. 

Transformatoren

Bei Transformatoren, sie werden auch Umspanner oder kurz Trafo genannt, handelt sich  um elektrische Maschinen, die auf der Primärseite Leistung aufnehmen und - unter Veränderung der Ströme und Spannungen - , auf der Sekundärseite Leistung abgeben. Die Leistung selbst bleibt auf beiden Seiten des Trafos – abgesehen von den unvermeidlichen, aber sehr niederen (1%) Trafoverlusten – gleich hoch.

Ein Trafo besteht aus einem geblechten Eisenkern, mit primär- und sekundärseitigen Wicklungen.  Zwei Wicklungen, die denselben Eisenkern umfassen, werden vom selben magnetischen Wechselfluss durchflossen.

Die Bezeichnung "Umspanner" weist auf die wesentliche Wirkungsweise des Trafos hin: Die Klemmenspannungen u_p,s auf der Primär- bzw. auf der Sekundärseite verhalten sich proportional zu den jeweiligen Windungszahlen N_p,s, während sich die Ströme i_p,s indirekt proportional dazu verhalten. Es gilt:

\(\dfrac{{{N_P}}}{{{N_S}}} = \dfrac{{{u_P}}}{{{u_S}}} = \dfrac{{{i_S}}}{{{i_P}}}\)

Anwendungsfall: Die elektrische Leistung eines Generators soll über eine Hochspannungsleitung zu einem Industriebetrieb übertragen werden: Der Generator habe eine Klemmenspannung von 11 kV. Der Trafo nahe beim Generator habe ein Übersetzungsverhältnis von 1:10, d.h. auf der Sekundärseite hat er zehnmal mehr Windungen als auf der Primärseite. Auf der Sekundärseite, also Richtung Leitung,  ist somit die Spannung 10 mal höher (110 kV) und der Strom 10 mal niedriger als auf der Generatorseite. Durch den niedrigeren Strom (bei höherer Spannung) sinken die Leitungsverluste P_Verl stark, denn sie errechnen sich aus dem Quadrat des Stroms I², wie man wie folgt sieht: 

\(\eqalign{ & u = i \cdot {R_{Ltg}} \cr & p = u \cdot i \cr & {p_{Verl}} = \left( {i \cdot {R_{Ltg}}} \right) \cdot i = {i^2} \cdot {R_{Ltg}} \cr} \)

In unserem Beispiel sinken durch den Einsatz des Umspanners die Leitungsverluste auf ein Hundertstel. Der Industriebetrieb kann mit der hohen Spannung von 110 kV auf Grund von Schutzabständen von über 3m nichts anfangen und transformiert daher die Spannung mit einem Trafo 10:1 wieder auf 11 kV, mit denen er große Motoren anspeist oder er transformiert die Spannung mit einem weiteren Verteilnetztrafo auf 0,4 kV. 

Betrachtet man das gesamte elektrische Energienetz so stehen den Kosteneinsparung zufolge reduzierter Leitungsverluste, die Kosten für mehrere Trafos am Weg vom Generator durch das Transport- und Verteilnetz bis zum Verbraucher gegenüber. In der Praxis wird erst durch den Einsatz von Transformatoren eine verlustarme Fernübertragung von elektrischer Energie wirtschaftlich möglich, was den entscheidenden Vorteil von Drehstrom gegenüber von Gleichstrom ausmacht.

Eisenkern eines Trafos

Der geblechte Eisenkern eines Trafos setzt sich aus dem Joch und den Schenkeln zusammen,

• Die Schenkel tragen die Primär- und Sekundärwicklungen des Trafos,
• das Joch verbindet alle Schenkel, um einen geschlossenen magnetischen Kreis zu bilden.

Bei der Bauform von Trafos unterscheidet man zwischen Kern- und Manteltrafo.

• Ein Drehstrom Kerntrafo ist ein 3-Schenkeltrafo, bei dem Joch und Schenkel den gleichen Querschnitt haben,
• ein Drehstrom Manteltrafo ist ein 5-Schenkeltrafo, bei dem das Joch ca. 60% vom Querschnitt der Schenkel hat, wodurch etwas an der Bauhöhe gespart wird.

Trafowicklungen

bei deren Aufbau man zwischen Zylinder- und Scheibenwicklung unterscheidet.

• Bei der Zylinderwicklung liegt innen die Unterspannung und außen die Oberspannung
• Bei der Scheibenwicklung liegen die Unter- und Oberspannungswicklungen abwechselnd entlang von den Schenkeln verteilt.

Schaltgruppen

Es gibt beim Drehstromtrafo verschiedene Möglichkeiten – Schaltgruppe genannt - jeweils die Ober- bzw Unterspannungswicklungen elektrisch zu einem Drehstromsystem zu verbinden: Stern-, Dreieck oder Zickzack-Schaltung, wobei sich die Ober- von der Unterspannungsseite hinsichtlich ihrer Schaltgruppe unterscheiden können. Dabei gilt

• D bzw. d: Dreieckschaltung Oberspannung bzw. Unterspannung
• Y bzw. y: Sternschaltung Oberspannung bzw. Unterspannung
• Z bzw. z: Zickzackschaltung Oberspannung bzw. Unterspannung
• N bzw. n: herausgeführter Neutral- oder Sternpunktsleiter
• 5: Kennzahl für die Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterspannung
  • 0: Spannungszeiger zwischen Ober- und Unterspannung sind phasengleich
  • 5: Phasenwinkel beträgt \(5 \cdot 30^\circ = 150^\circ \)

Für die zahlenmäßig häufigsten Energietrafos, die Verteilnetztrafos, ist Dyn5 die Standard-Schaltgruppe. Der Grund dafür ist, dass man bei Sternschaltung der Sekundärseite zwei nutzbare Spannungen unterschiedlicher Größe erhält:

• Die Leiter-Leiter-Spannung (400V) die um den Faktor \({\sqrt 3 }\) größer ist als
• Die Spannung zwischen Leiter und Sternpunktsleiter (230V). 

Übersetzungsverhältnis eines Trafos

Für das Übersetzungsverhältnis eines Trafos sind die Schaltgruppen ausschlaggebend:

\(\begin{array}{l}
Dd:ü = \dfrac{{{N_1}}}{{{N_2}}}\\
Dy:ü = \dfrac{{{N_1}}}{{\sqrt 3 \cdot {N_2}}}\\
Dz:ü = \dfrac{{2 \cdot {N_1}}}{{3 \cdot {N_2}}}\\
\\
Yy:ü = \dfrac{{{N_1}}}{{{N_2}}}\\
Yd:ü = \dfrac{{\sqrt 3 \cdot {N_1}}}{{{N_2}}}\\
Yz:ü = \dfrac{{2 \cdot {N_1}}}{{\sqrt 3 \cdot {N_2}}}
\end{array}\)

Will man das Übersetzungsverhältnis eines Trafos ändern, kann das

• im spannungslosen Zustand, durch die Änderung der Windungsanzahl im Falle von herausgeführten Spulenanzapfungen
• unter Spannung, mittels eines regelbaren Ortsnetztrafos (RONT) erfolgen. Benötigt werden RONTs vor allem bei Lastflussveränderungen durch regenerative Erzeuger und durch Spannungsband-Verletzungen bei Leitungen zu abgelegenen Verbrauchern.

Idealer Trafo

Ein idealer Trafo zeichnet sich wie folgt aus:

• Die Trafowicklungen haben keinen ohmschen Widerstand.
• Der magnetische Fluß im Eisenkern verbindet die primär- und sekundärseitigen Wicklungen so, dass es keinen Streufluss gibt.
• Die Permeabilität des Eisenkerns ist unendlich groß, sodass der magnetische Widerstand Null ist und keine Verluste im Eisenkern auftreten.
• Als Primärseite bezeichnet man jene Wicklung, die den Magnetisierungsstrom liefert 

\(\eqalign{
& {u_P}\left( t \right) = {N_P} \cdot \frac{{d{\Phi _h}}}{{dt}} \cr
& {u_S}\left( t \right) = {N_S} \cdot \frac{{d{\Phi _h}}}{{dt}} \cr
& ü = \frac{{{N_P}}}{{{N_S}}} = \frac{{{u_P}}}{{{u_s}}} = \frac{{{i_S}}}{{{i_P}}} \cr} \)

Die herausragende Bedeutung von Trafos für die Resilienz kritischer Infrastruktur

In den Umspannwerken der Stromnetze spielen Trafos eine unverzichtbare Rolle für die Funktion der kritischen Infrastruktur, da die gesamte erzeugte bzw. verbrauchte Leistung im Ferntransport mehrfach über Trafos fließen muss. Im Gegensatz zu anderen Komponenten wie Leitungen, Schaltern etc. sind Umspanner schwer zu ersetzen (hohe Kosten, lange Lieferzeiten). Moderne Kriege zeigen, dass gezielte Angriffe auf Kraftwerke und Umspannwerke eine zentrale Rolle in der Kriegsführung spielen können.

Um die Widerstandsfähigkeit gegen solche Angriffe zu erhöhen, sind vorbeugend sowohl bauliche Maßnahmen (z.B. Schutzdächer, größere räumliche Distanzen zwischen den einzelnen Trafos, mehrere parallele Trafos) als auch die Dezentralisierung der Stromnetze im Zuge der Energiewende notwendig. Dezentrale Netze bieten zwar zahlenmäßig mehre Angriffspunkte, aber Ausfälle haben nur eine lokal begrenzte Auswirkung. Zur Erhöhung der Resilienz kritischer Infrastruktur sind auch die Vorhaltung von Ersatzteilen (bei Trafos besonders aufwendig) und die Ausbildung von Personal im Umgang mit Notfallsituationen erforderlich.