Mehrphasenwechselstrom, was ist das?
Wechselstrom ist wohl jedem ein Begriff, denn es ist der Strom, der aus einer gewöhnlichen Steckdose kommt. Doch manchmal reicht eine normale Steckdose nicht aus. Küchengeräte wie einen Herd oder Backofen werden meist an Mehrphasenwechselstrom (auch Drehstrom oder Starkstrom genannt) angeschlossen. Warum dies so ist, erklären wir Ihnen in diesem Blogpost.
Warum Wechselstrom?
Wechselstrom oder Gleichstrom? Diese Frage stellen nicht nur wir, sondern diese Frage hat man sich auch schon vor knapp über 100 Jahren am Ende des 19. Jahrhunderts gestellt. Zu dieser Zeit gab es den sogenannten „Stromkrieg“, welcher ein Kampf um die Vorherschafft im Stromnetz war. Doch warum gab es diesen „Krieg“ zwischen Gleich- und Wechselspannung? Ursächlich waren die gänzlich unterschiedlichen Eigenschaften, die die beiden Stromarten mit sich bringen.
Wechselstrom ist leicht zu produzieren. Dazu nutzt man heutzutage oft sogenannte Synchronmaschinen. Dort wird durch eine Turbine (z.B. Wasser- oder Windturbine) ein starker (Permanent- oder Elektro)Magnet zum Drehen gebracht. Dieser Magnet ist von elektrischen Leitungen umgeben. Durch das Induktionsgesetz (dritte Maxwell-Gleichung) wird nun ein elektrischer Wechselstrom in den Leiterkabeln erzeugt. Dieser Prozess ist einfach und gut skalierbar.
Gleichzeitig eignet sich Wechselstrom auch sehr gut zur Energieübertragung. Meist wird elektrischer Strom über Hochspannungsleitungen transportiert. Diese Hochspannung wird in naher Umgebung zum Verbraucher (z.B. einem Haushalt) in eine Niederspannung umgewandelt. Für die genannte Umwandlung nutzt man Transformatoren, welche mit Wechselstrom sehr effizient arbeiten.
Gleichstrom hat jedoch auch seine Vorteile. So ist Gleichstrom im Allgemeinen deutlich sicherer in der Handhabung. Ebenfalls können viele Geräte nur mit Gleichstrom betrieben werden. Der Grund dafür liegt in der Art wie Leistung übertragen wird: Nutzt man Wechselstrom, so wird auch die übertragene Leistung zu einer Wechselgröße. Leistung wird also nicht kontinuierlich, sondern sprunghaft übertragen. Demgegenüber gibt es bei Gleichstrom einen konstanten Leistungsübertrag, welcher technische Vorteile bringt. Schematisch wird dies in folgender Grafik gezeigt:
Wechselstrom (links), Gleichstrom (rechts)
Am Ende des Stromkriegs hatte sich der Wechselstrom in den meisten Anwendungen durchgesetzt. Heutzutage wird Gleichstrom meist nur mehr für die Stromübertragung in Unterseeleitungen oder für den Betrieb gewisser Geräte genutzt. Die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom geschieht dabei über einen sogenannten Gleichstromwandler.
Der Vorteil von Mehrphasenwechselstrom
Wie oben erwähnt, hat Wechselstrom einen bedeutenden technischen Nachteil: Der Leistungsübertrag ist im Gegensatz zu Gleichstrom nicht konstant. Um dieses Problem zu lösen, kann man sogenannten Mehrphasenwechselstrom nutzen.
Beim Mehrphasenwechselstrom gibt es mehrere Stromleitungen, welche zur Übertragung der Energie dienen. Jede Leitung führt dabei einen Strom. Bei zweiphasigem Wechselstrom nutzt man beispielsweise zwei Leitungen, bei dreiphasigem Wechselstrom nutzt man drei Leitungen. Die Wechselströme in den einzelnen Leitungen sind zusätzlich noch zeitlich gegeneinander verschoben.
Mit Mehrphasenwechselstrom wird nun ein konstanter Leistungsübertrag möglich, was am Beispiel des Zweiphasenwechselstroms gut zu erkennen ist: Wird der Leistungsübertrag des ersten Leiters minimal, so wird der Leistungsübertrag des zweiten Leiters maximal. Da die Leistungen in beiden Leitungen entgegengesetzt schwingen, gleichen sie sich also aus.
Leistungsübertragung bei zweiphasigem Wechselstrom
Ein weiterer Vorteil von Mehrphasenwechselstrom ist die höhere und effizientere Energieübertragung. So kann durch drei Stromleitungen auch die dreifache Leistung übertragen werden (deshalb die Bezeichnung Starkstrom). Man möchte meinen, dass dies natürlich auch den dreifachen Materialbedarf benötigt (aufgrund zusätzlicher Leitungen). Dies ist aber tatsächlich nicht der Fall.
Bei einer einphasigen Übertragung von Energie benötigt man zwei Leitungen: eine Phasenleitung und einen Neutralleiter. Dies ist analog zum Gleichstrom, wo man eine Leitung hat, die den Strom zum Verbraucher bringt, und eine Leitung, die den Strom wieder abführt.
Bei dreiphasigem Wechselstrom benötigt man nun logischerweise drei solche Phasenleitungen. Der Unterschied ist aber, dass man oft keinen Neutralleiter benötigt. Die drei versetzten Ströme, welche in den drei Phasenleitungen fließen, heben sich durch den zeitlichen Versatz gegenseitig auf. Dadurch führt der Neutralleiter keinen Strom und kann auch weggelassen werden.
Einphasiger Wechselstrom (links) und mehrphasiger Wechselstrom (rechts)
Bis zu 9-phasigen Wechselstrom messen?
Zweiphasige Wechselströme werden heutzutage nur in speziellen Anwendungen genutzt. Viel häufiger kommen dagegen dreiphasige Wechselströme zum Einsatz. So beispielsweise in der Energieübertragung mit Hochspannungsleitungen. Auch einige Haushaltsgeräte oder elektrische Maschinen benötigen Dreiphasenwechselstrom.
Die Messung von solchen Dreiphasenwechselströmen kann man durch Oszilloskope oder sogenannte Power Analyzer durchführen. Manchmal ist es jedoch auch nötig, mehr als nur drei Phasen an Wechselstrom zu messen. Vielleicht arbeiten Sie an einem komplexen Projekt, wo Sie die Leistung von Windrädern bestimmen sollen. Manchmal ist es dann nötig, zusätzlich zum Dreiphasenwechselstrom, auch noch weitere Ströme und Leistungen aus anderen Quellen zu analysieren. Mit Standardmessgeräten ist dies dann kaum mehr möglich. Doch wir, DEWETRON, haben eine Lösung für Sie parat. Unser Mixed Signal Power Analyzer kann bis zu 9-phasige Powersysteme gleichzeitig erfassen und analysieren. Damit und mit seiner 18-bit Auflösung und 10 MS/s Abtastrate, sind Sie für alle Aufgaben gerüstet.
Wenn Sie mehr über unseren Power Analyzer oder unsere anderen Produkte erfahren wollen, besuchen Sie uns doch auf der DEWETRON Webseite oder auf LinkedIn, Facebook oder Twitter. Auf allen Plattformen werden Sie regelmäßig über die neuesten Entwicklungen in der Welt der Messtechnik informiert und auf neue Whitepapers, Blogposts oder Webinare aufmerksam gemacht.
