Drehstromschaltungen

In elektrisch Energieversorgungsnetzen soll die elektrische Energie möglichst verlustarm und kostengünstig bei geringem Materialaufwand über unter Umständen weite Entfernungen vom Erzeuger auf den Verbraucher übertragen werden. Wird ein Drehstromsystem durch unsymmetrische Ströme gespeist, so lässt sich das entsprechende umlaufende Magnetfeld in ein mit- und ein gegensinniges Kreisfeld zerlegen. Die Aufteilung in symmetrische Anteile ist bei den ungleichen Strömen vorteilhafter. Die Methode der „Symmetrischen Komponenten“ ist dazu gut geeignet. Dabei wird ein Drehstromsystem in symmetrische Komponenten (Mit-, Gegen- und Nullsystem) zerlegt und die Berechnung wird mit Hilfe der komplexen Größen durchgeführt.

Wir setzen nun zunächst weiterhin voraus, dass das Dreiphasennetz ein symmetrisches Dreiphasen-Spannungssystem \(\underline{U}\), \(\underline{a}^{2} \underline{U}\), \(\underline{a}\) \(\underline{U}\) zur Verfügung stellt, berücksichtigen aber, dass die Verbraucherwiderstände beliebige Werte annehmen und von beliebiger Art sein dürfen, im allgemeinen Fall also nicht mehr 3 gleichartige Zweipole vorhanden sind. Dabei wird zunächst kurz die elektrischen Energieversorgung betrachtet und anschließend die allgemeinen unsymmetrischen Belastungen von Vierleiter- und Dreileiternetzen erklärt. Für das Dreileiternetz wird dabei mehrere Berechnungsverfahren vorgestellt.

Die Betrachtungen in Kap. 1 und 2 gehen davon aus, dass dem Verbraucher noch ein symmetrisches Dreiphasen-Spannungssystem zur Verfügung gestellt wird. Die in Kap. 2 behandelten unsymmetrischen Dreiphasenverbraucher führen aber zu unsymmetrische Stromsystemen, die im allgemeinem unsymmetrische Spannungsfälle auf den Zuleitungen bzw. in den vorgeschalteten Transformatoren verursachen, so dass dann auch nicht mehr ein symmetrisches Spannungssystem am Verbraucher liegt. Auch die Schaltung selbst kann Ursache von Unsymmetrien sein. Im Vierleiternetz werden alle Einphasenverbraucher zwischen dem Neutralleiter und einem der drei Außenleiter angeschlossen. Sie sind normalerweise unterschiedlich groß und führen dann zu einer unsymmetrischen Stromverteilung in den Außenleitern und verursachen auch einen Neutralleiterstrom.

Mit einer vollständigen Theorie, die von den magnetischen Zuständen der Dreiphasenmaschine ausgeht, kann man jeden Betriebszustand, also jede Störung sowie unsymmetrischen Schaltungen und Übertragungsvorgängen, vorausberechnen. Die Bestimmung der magnetischen Felder setzt jedoch die genaue Kenntnis aller Abmessungen und Wicklungsdaten voraus. Die Anwendung der symmetrischen Komponenten auf solche Betriebszustände erleichtert ihre rechnerische Behandlung jedoch ganz erheblich, indem sie alle magnetischen Felder durch Spannungssysteme ersetzt, die solche Felder aufbauen können. So wird das mitlaufende Drehfeld, d. h. das mitlaufende Grundfeld und die zugehörigen Oberfelder, mit dem Spannungs-Mitsystem Um voll berücksichtigt das gegen laufende Drehfeld durch das Spannungs-Gegensystem Ug und alle Oberfelder 3n-facher Polzahl, die normalerweise in einer symmetrischen Dreiphasenmaschine nicht auftreten, mit dem Spannungs-Nullsystem U0. Auf die Spannungskomponenten können alle Gesetze der Wechselstrom-Schaltungslehre angewandt werden. Durch wechselweise Analyse und Synthese erhält man die gesuchten Kennwerte und Kennlinien. Oberfelder und Stromverdrung werden voll berücksichtigt, Sättigungseinflüsse dagegen nur unter bestimmten Bedingungen, was aber meist keine wesentlichen Einschränkungen bedeutet.

Asynchronmotoren werden in der elektrischen Gebäudeausrüstung als Antrieb für Lüfter, Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren, Wärmerädern usw. eingesetzt. In den letzten Jahren wurde die Elektronik immer günstiger, so dass sich frequenzgeregelte Motoren immer weiter durchsetzen. Sie werden in Zukunft wohl auch Aufgaben der Gleichstrommotoren übernehmen, da sie erheblich robuster und wartungsärmer sind. Einphasen-Asynchronmotoren werden gern als zweisträngige Motoren mit Arbeits- und Hilfsphase ausgeführt [8, 9, 12]. Beim Kondensatmotor ist dann in der Hilfsphase eine Kapazität C, beim Widerstandshilfsphasenmotor ein Wirkwiderstand R vorgeschaltet (bzw. durch einen entsprechenden dünneren Draht verwirklicht), und Arbeits- und Hilfswicklung sind gegeneinander räumlich um \(90^{\circ }\) elektrisch versetzt. Der Spaltpolmotor [12] hat demgegenüber eine um etwa \(30^{\circ }\) bis \(80^{\circ }\) räumlich versetzte, induktiv mit der Arbeitswicklung gekoppelte Hilfswicklung und eignet sich daher nicht so sehr für einer Behandlung mit symmetrische Komponenten.