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Generator

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Definition: eine Maschine zur Erzeugung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie

Englisch: generator

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.04.2010; letzte Änderung: 26.07.2015

Ein (elektrischer) Generator ist eine Maschine, welche elektrische Energie aus mechanischer Energie herstellen kann. Von der Bauart her ähneln die meisten Generatoren stark gewissen Elektromotoren, und viele Elektromaschinen sind in der Tat auch als Motor oder Generator einsetzbar.

Oft wird der Begriff Generator weiter gefasst als eine technische Einrichtung, die mechanische, chemische, thermische oder elektromagnetische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Beispielsweise kann ein thermoelektrischer Generator elektrische Energie direkt aus Wärme gewinnen. Auch Photovoltaik-Zellen sind in diesem Sinne Generatoren. Der Rest dieses Artikels gilt allerdings elektromechanischen Generatoren.

Grundprinzip und Bauarten

Das physikalische Grundprinzip des Generators ist die elektrische Induktion: in einer elektrisch leitenden Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich der magnetische Fluss durch die Spule ändert. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Magnet gegen die Spulen bewegt wird. Hierfür gibt es zwei unterschiedliche Möglichkeiten (abgesehen von dem weniger gebräuchlichen Prinzip des Lineargenerators), die beide häufig genutzt werden:

Wenn der Induktionsspule dann auch elektrischer Strom entnommen wird, also vom Generator elektrische Energie erzeugt wird, entsteht eine Gegenkraft, die die Bewegung bremst. Je größer die entnommene elektrische Leistung, desto größer die nötige mechanische Antriebsleistung. Ein elektrisch unbelasteter Generator bremst die Antriebsquelle dagegen kaum.

Generator

Abbildung 1: Ein Hochleistungs-Generator mit 660 MW im Kraftwerk Iskenerdrun, Türkei.

Es gibt auch elektrostatische Generatoren, die keine Magnetfelder verwenden. Diese werden jedoch nur sehr selten angewandt und sind auch nur für sehr geringe Leistungen geeignet.

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Bauarten für Generatoren, die den jeweiligen Anwendungen angepasst sind. Je nach Bauweise erzeugt ein Generator Wechselstrom (unter Umständen auch in Form von Drehstrom) oder aber Gleichstrom. Gleichstrom erhält man, wenn die ursprünglich erzeugte Wechselspannung gleichgerichtet wird, was entweder intern durch einen Kommutator erfolgt (elektrische Kontakte, die die Anschlussrichtung der Rotorspule im Außenpolgenerator periodisch umkehren) oder durch einen externen Gleichrichter.

Synchron- und Asynchrongeneratoren

Manche Wechselstrom- und Drehstromgeneratoren arbeiten synchron, d. h. ihre Drehzahl ist durch die Frequenz des Stromnetzes, in das sie einspeisen, fest vorgegeben. Für hohe Leistungen werden fast ausschließlich solche Synchrongeneratoren eingesetzt. Kleinere Generatoren arbeiten jedoch oft als Asynchrongeneratoren, bei denen es einen gewissen Drehzahlschlupf gibt: Sie drehen ein wenig schneller, vor allem bei Betrieb mit hoher Leistung. Dabei entsteht vor allem bei kleineren Generatoren ein gewisser Verlust an Energieeffizienz. Ein weiterer Nachteil des Asynchrongenerators ist ein gewisser Blindstrombedarf. Dafür ist er aber besonders einfach zu bauen und robust. Synchrongeneratoren werden häufig so ausgeführt, dass eine einstellbare Blindleistung erzeugt werden kann.

Zusammenhang zwischen Drehzahl und Polzahl

Für den Betrieb eines Generators mit niedrigen Drehzahlen ist eine hohe Polzahl nötig.

Bei Wechselstrom- und Drehstromgeneratoren gibt es (genauso wie bei Motoren) einen mehr oder weniger festen Zusammenhang zwischen der Drehzahl und der Netzfrequenz, der allerdings auch noch von der Polzahl (= 2 · Polpaarzahl) abhängt: Die Drehzahl des magnetischen Felds (Drehfelddrehzahl), die bei der Synchronmaschine der Drehzahl des Rotors genau entspricht, ist die Netzfrequenz dividiert durch die Polpaarzahl. Beispielsweise ergibt sich für die minimal mögliche Polpaarzahl 1 bei 50 Hz Netzfrequenz eine Drehfelddrehzahl von 50 / s = 3000 / min, d. h. 3000 Umdrehungen pro Minute. Mit zwei Polpaaren sinkt die Drehzahl auf 1500 Umdrehungen pro Minute, während z. B. 2000 U/min nicht erreichbar sind. Langsam laufende Generatoren, z. B. bei Wasserkraftwerken und getriebelosen Windenergieanlagen, müssen eine hohe Polzahl aufweisen. Dagegen sind Turbogeneratoren, die direkt von Turbinen angetrieben werden, meist zweipolig oder manchmal auch vierpolig.

Permanenterregung und elektrische Erregung

Kleine Generatoren (wie z. B. Fahrraddynamos) sind in der Regel permanent erregt, d. h. die verwendeten Magnete sind Permanentmagnete (Dauermagnete). Für sehr große Generatoren in Kraftwerken kommt praktisch nur die elektrische Erregung (Fremderregung) in Frage, d. h. man verwendet Elektromagnete. Ein Teil der erzeugten elektrischen Energie wird also zur Erregung verbraucht, aber dieser Teil kann recht klein sein (bei großen Generatoren deutlich unter 1 % der erzeugten Leistung), da die Spulen der Elektromagnete einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen.

Kann ein elektrisch erregter Generator ohne äußere Energiequelle gestartet werden?

Beim Start eines elektrisch erregten Generators ohne äußere Energiequelle besteht im Prinzip das Problem, dass anfangs noch keine Energie für den Betrieb des Erregers verfügbar ist. Jedoch verbleibt vom früheren Betrieb zumindest noch ein kleines Restmagnetfeld, welches immerhin eine kleine Induktionsspannung ermöglicht. Diese bewirkt nun einen kleinen Strom durch die Erregerspule, sodass das Magnetfeld und damit die induzierte Spannung weiter zunimmt. Letztendlich kann der Generator auch ohne äußere Energiequelle in kurzer Zeit gestartet werden. Das beschriebene Grundprinzip wird als das dynamoelektrische Prinzip bezeichnet.

Hochleistungs-Neodymmagnete erlauben auch die Realisierung größerer permanent erregter Generatoren.

Mittlerweile werden auch Generatoren mit Leistungen von mehreren Megawatt, wie sie insbesondere in Windenergieanlagen verwendet werden, mit permanenter Erregung ausgeführt. Dies wird möglich durch Verwendung von Hochleistungs-Neodymmagneten und ermöglicht sowohl eine kompakte Bauweise als auch (wegen des besonders starken Magnetfelds) den Betrieb mit sehr niedrigen Drehzahlen, so dass sogar auf ein Getriebe verzichtet werden kann. Kleinere Ausführungen solcher Generatoren werden beispielsweise auch in Fahrzeugen mit Hybridantrieb eingesetzt. Leider ist aber die Gewinnung des Neodyms in Minen (zur Zeit weitgehend in China) ein sehr umweltbelastender Prozess, da das Erz viele unerwünschte andere Stoffe enthält, die teils sehr giftig und teilweise auch radioaktiv sind. Außerdem drohen Engpässe bei der Versorgung mit seltenen Erden wie Neodym. Es ist allerdings zu beachten, dass die Bergbauaktivitäten zukünftig umweltschonender gestaltet werden könnten und dass am Ende der Lebensdauer eines solchen Generators die gesamte Menge des enthaltenen Neodyms wiederverwertet werden kann, da dieses Material ja nicht verbraucht wird.

Mit Hochtemperatur-Supraleitern lassen sich relativ kompakte und sehr effiziente Generatoren beispielsweise für den Einsatz in Schiffen bauen.

Eine andere Möglichkeit ist die elektrische Erregung mit supraleitenden Spulen, die durch die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) praktikabel wurde. Hier entfällt der elektrische Energieaufwand für die Erregung, da der Strom völlig widerstandslos durch die Spulen fließen kann. Dafür ist jedoch Energie für den Betrieb von Kältemaschinen notwendig, um die Spulen genügend stark zu kühlen, damit die Supraleitung erreicht wird. Trotzdem kann die Energieeffizienz recht hoch sein. Zudem ermöglicht dieses Prinzip eine besonders kompakte Bauweise.

Energieeffizienz

Energieverluste entstehen in einem Generator hauptsächlich durch den elektrischen Widerstand der Spulen (ohmsche Verluste, Kupferverluste) und durch erzeugte unerwünschte Wirbelströme in Eisenkernen (Eisenverluste), zusätzlich auch durch mechanische Reibung und Luftwiderstand sowie bei größeren Generatoren durch den Energieaufwand für Kühleinrichtungen. Große stationäre Generatoren erzielen aber sehr hohe Wirkungsgrade von oft mehr als 98 % oder sogar 99 %. Vor allem für die Versorgung von Schiffsantrieben werden inzwischen Generatoren mit supraleitenden Spulen (siehe oben) entwickelt, die sehr effizient sind und kleiner gebaut werden können.

Anwendungen von elektrischen Generatoren

Die wichtigsten Anwendungen elektrischer Generatoren sind:

Der allergrößte Teil der elektrischen Energie wird mit Generatoren erzeugt, und zwar vor allem mit Turbogeneratoren.

Typische Eigenschaften elektrischer Generatoren

Generatoren können je nach Bauart einen weiten Bereich von Anforderungen erfüllen:

Siehe auch: Elektromotor, elektrische Energie, mechanische Energie, Motor, Turbogenerator, Lichtmaschine, Startergenerator
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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