Drehstrom

Wenn drei Verbraucher jeweils mit einer Phase und mit Erde verbunden werden, spricht man von einer Sternschaltung (siehe Abbildung 3 links). Jeder Verbraucher hat dann eine Effektivspannung von U_eff = 230 V (im Niederspannungsnetz, siehe Abbildung 2). Wenn wir annehmen, dass jeder Verbraucher reine Wirkleistung bezieht (also keine Blindströme verursacht) bei einer Stromstärke I_eff, so ist die Leistung pro Verbraucher P = U_eff · I_eff, 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. Leiterkabel werden durch Drehstrom also deutlich besser genutzt als durch Einphasen-Wechselstrom.

Eine Dreieckschaltung (Abbildung 3 rechts) 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.

Weitere Details finden Sie in den Artikeln über Sternschaltung und Dreieckschaltung.

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 (→ Spannungsebenen) 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 zumindest in Europa in der Regel mit Vierleitersystemen. Diese haben auch den Vorteil, direkt zwei unterschiedliche Spannungen anzubieten: die Sternspannung und die Dreieckspannung. Die meisten Verbraucher in Haushalten nutzen die Sternspannung.

Eine mögliche Folge von Schieflasten ist die Entstehung einer Sternpunktverschiebung, solange dies nicht durch eine Erdung verhindert wird. Eine Sternpunktverschiebung bedeutet, dass der Sternpunkt nicht mehr auf Erdpotential liegt, sondern eine gewisse Spannung dagegen hat. In der Folge kommt es zu einer Überspannung zwischen dem Sternpunkt und mindestens einer der Phasen, welche unter Umständen zur Zerstörung von Betriebsmitteln führen kann.

Die übertragene Gesamtleistung eines Drehstromsystems ist bei symmetrischem Betrieb und sinusförmigen Strömen 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. Dies ist bei etlichen Anwendungen ein großer Vorteil.

Die Anordnung der drei Phasen (wenn wir das übliche 3-Phasen-System annehmen) entspricht einer bestimmten Drehrichtung. Nach VDE 0100, Teil 550, 1988-04 müssen Drehstromsteckvorrichtungen so angeschlossen werden, dass sich ein nach rechts dringendes Feld ergibt, wenn man in eine Steckbuchse schaut. Dies bedeutet, dass die Phase eines Leiters verglichen mit dem, der in Drehrichtung links von ihm steht, um 120° verschoben ist, so dass er das Spannungsmaximum jeweils um eine dritte Periode später erreicht.

Für manche Verbraucher, beispielsweise Öfen, ist die Drehrichtung irrelevant. Bei einem Drehstrommotor ist sie jedoch wichtig, weil sie bestimmt, in welcher Richtung der Läufer rotieren wird. Die genannte Norm ist also notwendig, um jeweils die gewünschte Drehrichtung zu erzielen; sie ist nicht etwa konstruktiv im Motor festgelegt.

Zur Kontrolle der Drehrichtung kann man ein Drehfeldmessgerät verwenden, und mit speziellen Adaptern kann man die Drehrichtung ändern, ohne die Anschlüsse umarbeiten zu müssen. Sie vertauschen einfach zwei der Phasen miteinander.

Für Berechnungen im Zusammenhang mit Drehstrom verwendet man häufig mit Vorteil komplexe Zahlen. Hier repräsentiert eine einzige komplexe Zahl den kompletten sinusförmigen Spannungsverlauf z. B. an einer Phase gegen Erde oder die Spannungsdifferenz zwischen zwei Phasen. Sie enthält also die Informationen über die Amplitude und Phase (zeitliche Position) der jeweiligen Schwingung. Dasselbe kann für Stromstärken praktiziert werden, solange auch diese einen sinusförmigen Verlauf haben. Den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke stellt man her mithilfe komplexer Impedanzen, die auch das Phänomen von Blindströmen mit behandeln lassen.

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.

Die einzelnen Wechselstrom-Steckdosen im Haushalt sind jeweils nur an eine der Phasen (Außenleiter) und den Neutralleiter sowie den Schutzleiter angeschlossen, während Drehstrom-Steckdosen (in Deutschland: CEE-Drehstromsteckverbinder nach IEC 60309) alle drei Phasen und den Neutralleiter und Schutzleiter anbieten. Sie sind für den Anschluss besonders leistungsfähiger Geräte vorgesehen, z. B. von starken Elektromotoren und Ladegeräten für Elektroautos. Es gibt verschiedene Varianten mit unterschiedlichem maximalem Strom (16 A, 32 A, 63 A, 125 A), die absichtlich etwas unterschiedliche geometrische Details haben, sodass nur Stecker und Buchsen (oder Kupplungen) zusammenpassen, die für die gleiche Leistung ausgelegt sind. Am gebräuchlichsten sind die roten Steckverbindungen mit den Anschlüssen 3L+N+PE, also 3 Phasenleitern (L), Neutralleiter (N) und Schutzleiter (Erdpotenzial, PE).

Wenn eine Drehstromsteckdose z. B. 32 A liefern kann, ergibt sich eine maximale Leistung von ca. 3 · 230 V · 32 A = 22 kW, also sechsmal mehr als für eine Einphasen-Wechselstrom-Steckdose mit 16 A, die maximal 3,7 kW liefert. Einen Faktor 3 bringt dabei allein schon der Umstand, dass man drei Phasenleitungen hat, und eine weitere Verdoppelung bringt die doppelte Stromstärke von 32 A. Wenn die Leistung mithilfe der Außenleiterspannung anstatt mit der Sternspannung berechnet wird, ist der Vorfaktor natürlich nicht 3, sondern die Quadratwurzel aus 3.

Auch Elektroherde, Elektrowärmepumpen und Elektrospeicherheizungen sind meist an alle drei Phasen angeschlossen, allerdings meist fest verkabelt und nicht über eine Steckdose.

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.

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.

Auch in Nordamerika wird Drehstrom bei höheren Leistungen viel verwendet, aber es gibt erhebliche Unterschiede zur Situation in Europa:

• Die meisten Haushalte werden nicht mit Drehstrom versorgt, sondern nur mit Einphasen-Wechselstrom, teils auch mit zwei entgegengesetzten Phasen (single phase three-wire system). Dasselbe gilt häufig auch für kleines Gewerbe. Der Betrieb von Drehstrommotoren ist dann zumindest nicht ohne zusätzliche Technik möglich. Außerdem entstehen so größere Schieflasten.
• Es gibt diverse modifizierte Drehstrom-Systeme (z. B. three phase delta, three phase high leg delta, TEE), bei denen nicht wie in Europa mit einem geerdeten Sternmittelpunkt gearbeitet wird. Die einzelnen Phasen können dann sehr unterschiedliche Spannungen gegen Erde haben. Teils wird auch ohne Neutralleiter gearbeitet, also mit Dreileitersystemen.

Durch den Wildwuchs verschiedener Systeme können Installationen und deren Unterhalt recht kompliziert werden, und Industrieanlagen können nicht ohne weiteres an einem anderen Standort in Betrieb genommen werden, wenn dort wieder andere Verhältnisse herrschen. Häufig wird zusätzliche Technik zur Anpassung benötigt.

Bei Elektroautos begegnet man Drehstrom in zwei unterschiedlichen Zusammenhängen: innerhalb des Fahrzeugs (ohne direkte Relevanz für die Benutzer) sowie beim Laden der Batterie.

Die Fahrzeugbatterie muss mit Gleichstrom geladen werden, der über einen Gleichrichter entweder im Auto oder in der Ladestation gewonnen wird:

• Einfache Ladegeräte, beispielsweise die in etliche Elektroautos eingebauten, arbeiten nur einphasig, d. h. sie nutzen nur eine der drei Phasen, auch wenn beispielsweise ein Ladekabel vom Typ 2 verwendet wird. Da beispielsweise in Deutschland in diesen Fällen mit nicht mehr als 20 A geladen werden darf wegen der entstehenden Schieflast, ist die Ladeleistung dann auf 230 V · 20 A = 4,6 kW begrenzt. An einer Ladestation, die diese Begrenzung nicht aufweist, kann ein Fahrzeug unter Umständen schneller geladen werden – aber meist nicht massiv schneller, da selbst mit 32 A auch nur ca. 7,4 kW möglich sind.
• Dreiphasige Ladegeräte sind üblich für stationäre Ladestationen, aber auch in manchen Fahrzeugen eingebaut. Dies ermöglicht bei gleicher Leiter-Stromstärke dann die dreifache Ladeleistung – z. B. 20,7 kW mit 30 A.

Innerhalb des Autos setzt man oft einen oder mehrere mit Drehstrom betriebene Elektromotoren (Drehstrommotoren) ein; dies können sowohl Synchronmotoren als auch Asynchronmotoren sein. Da die Batterien Gleichstrom liefern, muss der Drehstrom mithilfe eines geeigneten Dreiphasen-Wechselrichters (Inverters) erzeugt werden. Anders als bei Stromnetzen verwendet man hier meist eine variable Frequenz und Spannung des Drehstroms entsprechend der jeweiligen Drehzahl des Motors. Bei der Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) wird mithilfe eines Gleichrichters wieder Gleichstrom zum Laden der Batterie erzeugt.