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Drehstrom

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Definition: elektrischer Wechselstrom, der in verschiedenen Leitungen zeitverschoben oszilliert

Englisch: rotary current, polyphase current

Kategorien: elektrische Energie, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.04.2010; letzte Änderung: 13.07.2016

Der Begriff Drehstrom meint in den meisten Fällen Dreiphasenwechselstrom. Hier werden über drei (oder vier) statt zwei Leitungen drei Wechselströme übertragen, welche zeitlich versetzt (phasenverschoben) schwingen. Im europäischen Verbundsystem ist die Frequenz dieser Schwingung (d. h. die Zahl der Schwingungen pro Sekunden) 50 Hz, in den USA 60 Hz.

Drehstrom

Abbildung 1: Zeitlicher Verlauf der elektrischen Spannung zwischen den Phasenleitern und der Erdleitung beim haushaltsüblichen Dreiphasenwechselstrom in Europa. Der Effektivwert dieser Spannungen beträgt 230 V, der Spitzenwert 325 V.

Drehstrom

Abbildung 2: Effektivspannungen beim Haushalts-Drehstrom.

Beim Haushalts-Drehstrom in Europa werden drei Phasen geliefert, also drei Leitungen mit einer Spannung von 230 V (früher 220 V) (Effektivwert) gegenüber dem Erdpotenzial, gegeben durch einen “neutralen Leiter” (Erdleiter, N). Diese Spannungen werden als Sternspannung bezeichnet. Die Phasen werden mit L1, L2 und L3 bezeichnet, oft auch nach dem älteren System mit R, S und T. Der Phasenunterschied der elektrischen Spannung zwischen zwei Phasen beträgt jeweils 360 ° / 3 = 120 °.

Der Effektivwert der Spannung zwischen zweien der Phasenleitungen (die Leiterspannung oder Dreieckspannung) beträgt ca. 400 V (früher 380 V); dies ist die Quadratwurzel des Dreifachen der Sternspannung. (Das Verhältnis von Dreieckspannung zu Sternspannung wird als Verkettungsfaktor bezeichnet und ist bei dreiphasigen die Quadratwurzel aus 3, also ca. 1,73.) Wenn die Spannung einer Drehstromleitung (z. B. einer Hochspannungsleitung) angegeben wird, ist in der Regel der Effektivwert der Leiterspannung gemeint, nicht etwa der Sternspannung.

Bei Drehstromverbrauchern (z. B. Drehstrommotoren) und anderen Betriebsmitteln werden die Klemmen, die an die Phasen L1, L2 und L3 angeschlossen werden, mit U, V und W bezeichnet.

Sternschaltung und Dreieckschaltung

Die Drehstromtechnik erlaubt die Übertragung derselben Leistung mit halb so viel Leitermaterial wie bei der Einphasen-Wechselstromtechnik.

Wenn drei Verbraucher jeweils mit einer Phase und mit Erde verbunden werden, spricht man von einer Sternschaltung. Jeder Verbraucher hat dann eine Effektivspannung von Ueff = 230 V (im Niederspannungsnetz, siehe Abbildung 2). Wenn wir annehmen, dass jeder Verbraucher reine Wirkleistung bezieht (also keine Blindströme verursacht) bei einer Stromstärke Ieff, so ist die Leistung pro Verbraucher P = Ueff · Ieff, und die Gesamtleistung ist dreimal höher. Der Neutralleiter wird bei dieser symmetrischen Situation nicht mit Strom belastet, da sich dort die Ströme der drei Verbraucher gegenseitig aufheben. Strombelastet sind also nur drei Leitungen, und der Neutralleiter könnte auch weggelassen werden. Würden alle drei Verbraucher separat mit Wechselspannung versorgt, bräuchte man für die gleiche Gesamtleistung sechs Leitungen, also doppelt so viel Material.

Eine Dreieckschaltung bedeutet, dass drei Verbraucher jeweils mit zwei Phasen (und nicht mit dem Erdleiter) verbunden werden. Jeder Verbraucher “sieht” dann die höhere Effektivspannung von 400 V, so dass die Gesamtleistung bei gleicher Stromstärke in den Verbrauchern um den Faktor Quadratwurzel von 3 (ca. 1,732) höher ist. Allerdings ist auch die Strombelastung der Zuleitungen um den gleichen Faktor höher. (Man beachte, dass in diesem Fall jede Phasenleitung mit Strömen von zwei Verbrauchern belastet wird, auch wenn immerhin eine Phasenverschiebung zwischen dienen herrscht.) Deswegen erfordert die Übertragung derselben Leistung mit Dreieck- oder Sternschaltung dieselbe Stromstärke in den Zuleitungen.

Übrigens ist die übertragene Gesamtleistung bei symmetrischem Betrieb zeitlich konstant. Die Leistungen in den einzelnen Phasen pulsieren zwar, aber zeitlich gegeneinander so verschoben, dass die Gesamtleistung konstant bleibt. Die bedeutet z. B., dass ein Drehstrommotor anders als ein Einphasen-Wechselstrommotor seine Last mit etwa konstantem Drehmoment antreiben kann.

Dreileiter- und Vierleitersysteme

Die Leitung für den Neutralleiter kann oft weggelassen werden – vor allem bei Hochspannungsleitungen.

Wenn ein Drehstromverbraucher die drei Phasen symmetrisch belastet, entsteht keine Stromstärke im Neutralleiter. Es ist dann oft möglich, selbst bei einer Sternschaltung den Neutralleiter gar nicht anzuschließen, also nur drei statt vier Leitungen zu verlegen. (Die Dreieckschaltung benötigt den Neutralleiter ohnehin nicht.)

Bei der Energieübertragung ist es üblich, auf der Hochspannungs- und Mittelspannungsebene solche Dreileitersysteme zu verwenden. Man versucht, einen möglichst genau symmetrischen Betrieb zu realisieren, d. h. mit geringer Schieflast. Auf der Niederspannungsebene dagegen, wo deutliche Schieflasten schwer vermeidbar sind, arbeitet man mit Vierleitersystemen.

Gleichrichtung von Drehstrom

In manchen Fällen muss aus Drehstrom Gleichstrom erzeugt werden, wofür ein sogenannter Gleichrichter dient. Hierbei ist gegenüber der Verwendung von ein Phasen-Wechselstrom ein oft wesentlicher Vorteil, dass die Welligkeit der erzeugten Gleichspannung deutlich geringer ist: Die Gleichspannung sinkt nie auf Null ab, sondern (bei Dreiphasen-Wechselstrom und Verwendung des üblichen Sechspulsgleichrichters) nur um einige Prozent der Spitzenspannung.

Wechselstrom- und Drehstromsteckdosen in Haushalt und Gewerbe

Die gewöhnlichen Haushaltssteckdosen haben immer nur eine der drei Phasen.

Die einzelnen Wechselstrom-Steckdosen im Haushalt sind jeweils nur an eine der Phasen und den neutralen Leiter angeschlossen, während Drehstrom-Steckdosen alle drei Phasen und den neutralen Leiter anbieten. Sie sind für den Anschluss besonders leistungsfähiger Geräte vorgesehen, z. B. von Elektroherden, Elektrowärmepumpen oder Elektrospeicherheizungen. Wenn die Drehstromsteckdose 32 A liefern kann, ergibt sich eine maximale Leistung von ca. 22 kW, also sechsmal mehr als für eine Einphasen-Wechselstrom-Steckdose mit 16 A, die maximal 3,7 kW liefert.

Zusätzlich zum neutralen Leiter gibt es bei Drehstrom und Wechselstrom den Schutzleiter, der wie der neutrale Leiter auf Erdpotenzial liegt, aber eine andere Funktion hat: Mit ihm werden z. B. elektrisch leitende Gehäuse von Geräten verbunden, damit selbst im Falle von Defekten innerhalb des Geräts das Gehäuse niemals eine gefährliche Spannung gegen Erde erhalten kann.

Drehstrom in der Energieversorgung

Heute beruht fast die gesamte elektrische Energieversorgung auf niederfrequentem Drehstrom, dessen Phasen einzeln als Wechselstrom genutzt werden können. Dies bedeutet, dass praktisch alle Kraftwerke Drehstromgeneratoren enthalten und die Stromnetze damit speisen. Die meisten Hochspannungs­leitungen übertragen Drehstrom, obwohl für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit hoher Leistung zunehmend auch die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) eingesetzt wird. Transformatoren können mit Drehstrom arbeiten, oder mit Wechselstrom für die einzelnen Phasen.

Bahnen wie z. B. die Deutsche Bahn verwenden keinen Drehstrom, sondern ein separates Einphasen-Wechselstromnetz für Bahnstrom.

Wie auch bei Einphasen-Wechselstrom tritt bei Drehstrom das Phänomen der Blindströme auf. Dies macht häufig zusätzliche technische Einrichtungen nötig, insbesondere zur Blindleistungskompensation, und kann zu zusätzlichen Energieverlusten führen.

Die drei Phasen sollten möglichst alle gleich stark belastet werden, d. h. eine starke Schieflast versucht man zu vermeiden. Sie kann nämlich zu einer verstärkten Belastung von Komponenten der Stromversorgung führen, beispielsweise von Synchrongeneratoren.

Drehstrom in Fahrzeugen

In Elektroautos und anderen elektrisch betriebenen Fahrzeugen setzt man oft mit drehstrombetriebene Elektromotoren (Drehstrommotoren) ein; dies können sowohl Synchronmotoren als auch Asynchronmotoren sein. Da die Batterien Gleichstrom liefern, muss der Drehstrom mithilfe eines geeigneten Wechselrichters (Inverters) erzeugt werden. Anders als bei Stromnetzen verwendet man hier meist eine variable Frequenz des Drehstroms entsprechend der jeweiligen Drehzahl des Motors. Bei der Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) wird mithilfe eines Gleichrichters wieder Gleichstrom zum Laden der Batterie erzeugt.

Siehe auch: Wechselstrom, Gleichstrom, elektrische Energie, Blindstrom, Stromnetz
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, physikalische Grundlagen

Alles verstanden?


Frage: Welche der folgenden Aussagen sind korrekt?

(a) Die für eine Hochspannungsleitung mit einer gegebenen Leistung benötigte Menge von metallischem Leitermaterial ist bei einem Drehstromsystem höher als bei einem Einphasen-Wechselstromsystem, da man mehr Leitungen benötigt.

(b) Eine Phasenleitung bei einem 400-V-Drehstromanschluss zu berühren, ist erheblich gefährlicher als bei einem 230-V-Wechselstromanschluss.

(c) Ein Motor mit Dreieckschaltung (statt Sternschaltung) weist bei gleicher Leistung geringere Stromstärken in seinen Wicklungen auf, jedoch die gleiche Stromstärke in den Zuleitungen.


Frage: Warum kann man Drehstrom-Dosen in einem Haus in der Regel wesentlich mehr Leistung entnehmen als Wechselstrom-Dosen?

(a) weil sie in der Regel genau hierfür ausgelegt sind – oft z. B. mit dickeren Anschlusskabeln

(b) weil die elektrische Spannung deutlich höher ist

(c) weil mehr Leitungen bei gleicher Stromstärke mehr Leistung übertragen


Frage: Warum werden leistungsfähige Elektromotoren häufig mit Drehstrom anstelle von Einphasen-Wechselstrom betrieben?

(a) weil dies eine einfachere Bauart der Motoren ermöglicht

(b) weil Drehstromanschlüsse eine höhere elektrische Leistung ermöglichen

(c) weil eine elektronische Drehzahlregelung damit wesentlich leichter realisierbar ist


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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