Elektrizitätslehre
Grundbegriffe der Elektrotechnik
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Was ist Drehstrom? 

Der Drehstrom, auch Dreiphasenwechselstrom genannt, ist in der Elektrotechnik ein Wechselstrom mit drei Phasen bzw. stromführenden Leitungen. Dafür befinden sich drei Spulen in einem Abstand von 120° rund um ein sich drehendes Magnetfeld. Dadurch entstehen drei Wechselspannungen , deren Sinuswellen ebenfalls um 120° zeitlich versetzt (phasenverschoben) sind.

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Sinuswellen

Wenn du den zeitlichen Verlauf der drei Phasen (L1, L2, L3) zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Achse betrachtest, siehst du, dass die Summe der drei elektrischen Spannungen an jeder Stelle Null entspricht. 

Der Drehstrom ist für die Übertragung von Strom wichtig und wird für große Maschinen in der Industrie benötigt. Bei vielen Geräten im Haushalt reicht eine einphasige Netzspannung vollkommen aus.

Dreiphasensystem 

Ein Dreiphasensystem beschreibt einfach gesagt, den Gebrauch des Drehstroms in einer bestimmten Umgebung. Es begegnen dir viele verschiedene Bezeichnungen. Die wichtigsten Begriffe für dich sind:

  • Spulen/Stränge: Das sind elektrische Leiter, die zu einer oder mehrerer Windungen geformt sind. Den Anfang der Stränge kürzt du mit U1, V1 und W1 ab, das Ende der Stränge mit U2, V2 und W2.
  • Außenleiter: Das sind die stromführenden Leiter L1, L2 und L3, die nach außen gehen.
  • Neutralleiter: Das ist ein Leiter N, der in der Lage ist, elektrische Energie zu verteilen.
  • verkettete Spannung: Das ist die Spannung zwischen zwei beliebigen Außenleitern.
  • Sternspannung/Strangspannung: Das ist die Spannung zwischen Neutralleiter und beliebigem Außenleiter.
  • Effektivwert : Das ist der Wert der Spannungen in Volt (verkettete Spannung oder Sternspannung).
  • Verkettungsfaktor: Das ist das Verhältnis, über das die Effektivwerte der einzelnen Spannungen in Bezug stehen. Er hat den Wert \sqrt{3}.
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Dreiphasensystem

Bei Niederspannungsnetzen in Europa beträgt die üblicherweise verwendete Sternspannung 230 Volt. Dadurch ergibt sich dann eine verkettete Spannung bzw. Leistung von 400 Volt:

    \[230 V \cdot \sqrt{3} \approx 400 V\]

Aufbau eines Dreiphasengenerators

Der Aufbau kennzeichnet sich durch drei Spulen, die mechanisch um 120° versetzt zueinander angeordnet sind. In der Mitte befindet sich ein rotierender Dauermagnet. Die drei Spulenenden werden als die Außenleiter L1, L2 und L3 nach außen geführt.

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Schema eines Dreistromgenerators

Der drehende Magnet erzeugt in den Spulen durch Induktion eine Spannung, die dann in einem Dreiphasensystem mit den Außenleiterspannungen UL1, UL2 und UL3 zusammenläuft.

Zeitlicher Verlauf

Weil die drei Spulen versetzt angeordnet sind, entstehen auch drei zeitlich ebenso versetzte Wechselspannungen U1, U2 und U3. Sie schwingen als Sinuswellen im Abstand von 120° phasenverschoben.

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Zeitlicher Verlauf der Wechselspannungen

Die Summe der Wechselspannungen ergeben, zu einem beliebigen Zeitpunkt, bei gleicher Belastung immer Null. Aus diesem Grund kannst du die Spulen zusammenschalten. Aber nur, wenn jede einzelne Phase die exakt gleiche Last durch einen Verbraucher haben.

Sternschaltung und Dreieckschaltung 

Du kannst zwei wichtige Verkettungsschaltungen unterscheiden: die Sternschaltung und die Dreieckschaltung. Die Sternschaltung ist über einen Mittelpunkt mit einem Neutralleiter zusammengeschaltet. Die Dreieckschaltung besitzt keinen Neutralleiter.

Sternschaltung

Bei der Sternschaltung sind die Strangenden U2, V2 und W2 im Neutralleiter N zusammengefasst. Vom Anfang der Stränge U1, V1 und W1 verlaufen die Außenleiter L1, L2 und L3 zum Verbraucher. Genauso verläuft auch der Neutralleiter N vom Mittelpunkt zum Verbraucher.

Die Strangspannung UST berechnest du mit der Spannung U geteilt durch den Verkettungsfaktor. Die Strangstromstärke IST entspricht der Stromstärke I:

    \[U_{ST} = \frac{U}{\sqrt{3}}\]

    \[I_{ST} = I\]

Dreieckschaltung

Bei der Dreieckschaltung gibt es keinen Neutralleiter N. Der Stranganfang einer Spule ist mit dem Strangende einer anderen Spule verbunden. So sind alle Spulen hintereinander geschaltet. Von den einzelnen Verbindungsstellen verlaufen die Außenleiter L1, L2 und L3 zum Verbraucher.

Die Strangspannung UST ist gleich der Spannung U und die Stromstärke IST berechnest du mit der Stromstärke geteilt durch den Verkettungsfaktor:

    \[I_{ST} = \frac{I}{\sqrt{3}}\]

    \[U_{ST} = U\]

Du möchtest mehr über die beiden Verschaltungsarten elektrischer Bauelemente wissen? Dann schau dir unbedingt unser Video dazu an!

Zum Video: Stern-Dreieck-Schaltung
Zum Video: Stern-Dreieck-Schaltung

Drehstrom Anwendung 

Für viele Geräte im Haushalt ist eine Netzspannung von 230 Volt (einphasig) absolut ausreichend. In der Industrie sieht das aber oft anders aus. Dort wird für die großen Maschinen und Anlagen mehr Leistung bei der Übertragung elektrischer Energie benötigt. Daher werden hier anstelle von einer drei Spulen zur Stromerzeugung genutzt. 

Da 3-Phasen-Strom hauptsächlich zur Versorgung von großen Elektromotoren genutzt wird, kannst du ihn umgangssprachlich auch als Starkstrom bezeichnen.

Das Dreiphasensystem wird somit vorwiegend für den Transport und die Verteilung von elektrischer Energie  eingesetzt. Als Beispiele kannst du dir überregionale Hochspannungsnetze, lokale Niederspannungsnetze oder Drehstrommaschinen vorstellen. Solche Drehstrommaschinen werden beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder als Antrieb von Aufzügen genutzt.

Vorteile des Drehstroms

  • Bei der Zusammenschaltung der 3 Phasen bzw. Spulen werden nur 3 oder 4 Leitungen benötigt. Im Gegensatz dazu würde ein Wechselstrom mit 3 Strängen mindestens 6 Leitungen benötigen.
  • Mit der Sternschaltung verfügst du über zwei verschiedene Spannungswerte.
  • Die Drehstrommotoren können einfach gebaut werden.

Drehstrommotor

Als Drehstrommotor bezeichnest du einen Elektromotor, der mit Dreiphasenwechselstrom bzw. Drehstrom betrieben wird. Doch wie ist er aufgebaut und wie funktioniert er? Das erfährst du im Video . Bis gleich!

Zum Video: Drehstrommotor
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