imported>Graph Pixel: Tippfehler korrigiert.

2025-03-06T09:18:41Z

Tippfehler korrigiert.

Neue Seite

[[Datei:Synchronous motor-generator set for AC to DC conversion (Rankin Kennedy, Electrical Installations, Vol II, 1909).jpg|miniatur|Historischer Umformer bestehend aus zwei rotierenden elektrischen Maschinen: Ein Wechselstrommotor und ein Gleichstromgenerator, welche mechanisch mit einer Welle gekoppelt sind.]]
Ein '''Umformer''' ist in der [[Elektrische Energietechnik|elektrischen Energietechnik]] eine spezielle rotierende [[elektrische Maschine]] oder eine Kombination von mehreren [[mechanisch]] fix gekoppelten solchen Maschinen, die eine [[Elektrischer Strom #Technische Stromarten|Stromart]] durch eine [[Rotationsbewegung]] in eine andere überführt. Beispielsweise wird [[Gleichspannung]] in [[Wechselspannung]] oder [[Dreiphasenwechselspannung]] in Gleichspannung überführt. Auch eine Umformung zwischen Wechselspannungen verschiedener [[Frequenz]]en ist durch mechanische Auslegung der Maschinen möglich, in diesem Fall wird der Umformer als [[Frequenzumformer]] bezeichnet.

Einen ähnlichen Anwendungsbereich mit identischer Funktion haben [[Umrichter]] und im Speziellen [[Frequenzumrichter]]. Umrichter sind im Gegensatz zu Umformern keine elektrischen Maschinen, sondern [[Leistungselektronik|leistungselektronische]] Geräte ohne mechanisch bewegte Komponenten. Sie haben ab Mitte des 20. Jahrhunderts in den praktischen Anwendungen die großteils aus der Anfangszeit der [[Elektrifizierung]] stammenden Umformer abgelöst.

== Grundlagen ==
Umformer waren vor der Einführung des [[stromnetz|Wechselstromnetzes]], der dann verwendbaren [[Transformator]]en sowie Halbleiter-[[Gleichrichter]]n und [[Umrichter]]n auch für kleine [[Elektrische Leistung|Leistungen]] gebräuchlich. Heute werden nur noch Einheiten für große Leistungen wie in [[Bahnstromumformerwerk]]en betrieben. Auch die [[Bundeswehr]] benutzt noch Umformer, um Flugzeuge bei Wartungsarbeiten mit elektrischer Energie zu versorgen.

== Aufbau ==
Ein rotierender Umformer besteht aus einem [[Elektromotor]], der einen [[Generator]] für die gewünschte Stromart antreibt. Er kann als Umformer-Satz realisiert sein, d. h. als zwei einzelne, mit ihren Wellen gekoppelte Maschinen, oder als [[Einankerumformer]] aus nur einer Maschine. Einankerumformer haben im Regelfall keine nach außen ragende Welle und einen [[Anker (Elektrotechnik)|Anker]] mit [[Kommutator (Elektrotechnik)|Kommutator]] (Stromwender) auf der einen Seite für den [[Gleichstrom]][[stromkreis|kreis]] und auf der anderen Seite mehrere [[Schleifring]]e für die Zuführung der Wechsel- bzw. Dreiphasenspannung.

== Anwendungen ==
[[Datei:Rotierender Umformer.jpg|mini|Umformersatz: links die Gleichstrommaschine, rechts die Drehstrommaschine]]
Mit einem an einen netzbetriebenen [[Asynchronmotor]] gekoppelten, fremderregten Gleichstromgenerator kann zum Beispiel über die Steuerung von dessen Erregung eine variable Gleichspannung erzeugt werden.

Soll bei konstanter Antriebsdrehzahl auch die abgegebene Frequenz variabel sein, bestehen folgende Möglichkeiten:
* ein Synchrongenerator wird mit einer Wechselspannung variabler Frequenz erregt
* an eine variable Gleichspannung (siehe oben) wird ein weiterer Umformersatz, bestehend aus Gleichstrommotor und Synchrongenerator angeschlossen.

Weitere Anwendungen von Umformern bzw. Maschinensätzen liegen im Abfangen von [[Lastwechselreaktion|Laststößen]], wie sie zum Beispiel bei [[Walzwerk|Walzantrieben]] in Stahlwerken oder auch bei der Versorgung von [[Hochspannungslabor]]s vorkommen. Durch die Schwungmasse und die mechanische Entkopplung können so Rückwirkungen in das elektrische Versorgungsnetz aus abrupten Lastschwankungen vermieden werden.

Der [[#Leonardsatz|Leonardsatz]], ein Maschinensatz zum drehzahlvariablen Antrieb großer Maschinen, gehört eigentlich nicht zu den Umformern, aufgrund der ähnlichen verwendeten Komponenten und Prinzipien ist er hier jedoch ebenfalls beschrieben.

<div style="clear:right;"></div>

=== Einankerumformer ===
{{Hauptartikel|Einankerumformer}}
[[Datei:Umformer U5a1-1301.jpg|mini|Kleiner Einankerumformer der [[Wehrmacht]] Typ „U5a1“]]
Einankerumformer wurden unter anderem in der Frühzeit der Elektrifizierung von [[Straßenbahn]]en zur Gewinnung der Gleichspannung von üblicherweise 600 V aus dem Drehstromnetz verwendet, aber auch für kleine Leistungen zum Beispiel zur Erzeugung von Kleinspannungen aus dem ursprünglichen Gleichstromnetz verwendet.

Anwendungen im Mobilbereich betrafen die Erzeugung unterschiedlicher Spannungen aus Autobatterien oder entsprechenden Gleichstromnetzen, so etwa von 400-Hz-[[Drehstrom]] (36 V) zum Betrieb von [[Kreiselmotor]]en in [[Kreiselkompass]]en oder des [[künstlicher Horizont|Künstlichen Horizonts]] aus dem 28-V-Gleichstrom-Bordnetz von Flugzeugen. Solche kleinen Umformer besaßen eine [[Permanentmagnet]]-Erregung, ihre abgegebene Spannung konnte daher nur über die Eingangsspannung beeinflusst werden.

Bei der [[Wehrmacht]] lieferte der Umformersatz „U5a1“ über einen Einankerumformer 330 V [[Anodenspannung]] bei 140 mA sowie über einen regelbaren [[Vorwiderstand]] 5 V Heizspannung bei 1,2 A zum Betrieb mobiler [[Sendeanlage]]n aus 12-V-Autobatterien; er wurde nach zentraler Vorgabe von verschiedenen Herstellern gefertigt.<ref>{{Internetquelle
| url = https://www.radiomuseum.org/r/mil_umformersatz_u5a1u_5_a.html
| titel = Umformersatz U5a1
| hrsg = Radiomuseum.org
| zugriff = 2017-09-14
}}</ref><ref>[[:c:Category:Umformer U5a1|Bilder zum Umformersatz „U5a1“ in Wikimedia Commons]]</ref>

<div style="clear:right;"></div>

=== Bahnstromnetz ===
{{Hauptartikel|Bahnstromumformerwerk}}
Die Frequenz des [[Bahnstrom]]netzes in Deutschland, Österreich und der Schweiz beträgt 16,7 Hz, in [[Skandinavien]] {{Bruch|16|2|3}} Hz. Diese niedrige Frequenz wurde gewählt, um die lange Zeit in elektrischen Bahnantrieben vorherrschenden [[Gleichstrommaschine|Gleichstrom-Reihenschluss-Motoren]] mit Wechselstrom zu betreiben, der im Gegensatz zu Gleichstrom transformierbar ist. Dadurch war es möglich, die Fahrleitungsspannung relativ hoch zu wählen, was für die Leistungsübertragung von Vorteil ist, weil die Ströme und damit die Leitungsverluste sowie die benötigten Leiterquerschnitte deutlich geringer sind im Vergleich zu einer tiefen Spannung. Dies ist besonders wichtig für [[Vollbahn]]en, bei denen zwischen den Einspeisepunkten große Abstände bestehen.

Die ursprünglich auch in Mitteleuropa verwendete Frequenz des Bahnnetzes von {{Bruch|16|2|3}} Hz entspricht einem Drittel der Landesnetzfrequenz von 50 Hz. Dies ermöglicht die Kopplung des Bahnnetzes mit dem Landesnetz durch Umformer, die aus einer [[Drehstrom-Asynchronmaschine|Dreiphasen-Asynchronmaschine]] auf der Landesnetzseite und einer Einphasen-[[Synchronmaschine]] auf der Bahnnetzseite bestehen. Die [[Polpaarzahl]] der Synchronmaschine beträgt dabei ein Drittel der Polpaarzahl der Landesnetzmaschine.

Durch Regelung des Schlupfs der Asynchronmaschine, die als [[Schleifringläufermotor|Schleifringläufer]] ausgeführt ist, lässt sich Richtung und Größe des Energieflusses zwischen Landesnetz und Bahnnetz bestimmen. Die Erregung der Synchronmaschine bestimmt die Höhe der Fahrleitungsspannung.

Allerdings zeigte sich, dass bei den großen Umformersätzen im Bahnstromverbundnetz in Mitteleuropa Schäden an der Asynchronmaschine auftraten, wenn diese ohne [[Schlupf#Drehstrom-Asynchronmaschine|Schlupf]] im Leerlauf betrieben wurden, siehe [[Bahnstrom#16 2⁄3 Hz gegenüber 16,7 Hz|''Bahnstrom 16 2⁄3 Hz gegenüber 16,7 Hz'']]. Aus diesem Grund wurde die Frequenz des Bahnstromverbundnetzes in Mitteleuropa im Oktober 1995 auf 16,7 Hz angehoben. Dieses Problem tritt in Skandinavien nicht auf, da dort die Fahrleitung ähnlich wie bei Gleichstrombahnen über eine größere Anzahl kleiner, lokaler Umformer versorgt wird und kein Verbundnetz zwischen den Umformern besteht.

=== Leonardsatz ===
[[Datei:Leonardsatz1a.jpg|mini|'''Umformer-Teil eines Leonardsatzes''']]
[[Datei:WardLeonard-Internationl.svg|miniatur|Mit Lastmaschine ('''4''')]]
Der '''Leonardsatz''' heißt nach seinem Erfinder, dem amerikanischen Elektroingenieur [[Harry Ward Leonard]], auch ''Ward-Leonard-Umformer''. Er besteht aus einem Umformer (dieser formt [[Drehstrom]] in eine variable [[Gleichspannung]] um) und einem daran angeschlossenen Gleichstrommotor. Bis zur Entwicklung von [[Leistungshalbleiter]]n wie [[Thyristor]]en war der Leonardsatz die einzige Möglichkeit zur Realisierung großer drehzahlvariabler Antriebe, die mit Drehstrom gespeist wurden.
Der abgebildete Umformer-Teil eines Leonardsatzes dient der Versorgung und Steuerung einer [[Pendelmaschine]] eines [[Motorenprüfstand]]es und besteht aus:
* dem Antrieb ('''1'''), einem [[Asynchronmotor]]
* dem Generator ('''2'''), einer fremderregten [[Gleichstrommaschine]]
* dem Erregergenerator ('''3'''), einem kleinen Hilfs-Gleichstromgenerator zur Erzeugung der Erregerspannung für ('''2''')

Ein Leonardsatz besteht aus einem Umformer, der zunächst mithilfe eines Asynchronmotors und einem mit diesem mechanisch gekoppelten Gleichstromgenerator eine über dessen Erregung ('''5''') steuerbare Gleichspannung erzeugt (Spannungswandlung). Der Primärantrieb ist normalerweise ein direkt ans Wechselstromnetz angeschlossener [[Asynchronmotor]], könnte aber auch ein [[Gleichstrommotor]] oder ein [[Verbrennungsmotor]] sein. Die von diesem Umformer gelieferte variable Gleichspannung speist einen Gleichstrommotor, dessen Erregung fallweise ebenfalls variiert wird. Der Motor kann auch räumlich getrennt vom Umformersatz untergebracht sein, nämlich bei der anzutreibenden Maschine (Walzwerk, Aufzug, Spinnmaschine usw.). Belastungseinrichtungen von [[Motorprüfstand|Motorprüfständen]] nutzen die Tatsache, dass ein Leonardsatz rückspeisefähig ist, d. h., er kann Energie zurück ins Netz speisen, wenn der Abtrieb des Gleichstrommotors angetrieben wird – dieser arbeitet dann als Generator, die Gleichstrommaschine des Umformersatzes als Motor und die Asynchronmaschine als Asynchrongenerator. Siehe auch [[Pendelmaschine]].

Normalerweise beinhaltet ein Leonardsatz zusätzlich einen Erregergenerator (Nebenschlussmaschine), um den [[Gleichstrommaschine]]n eine Erregerspannung zur Verfügung zu stellen. Dieser Erregergenerator wird durch den Primärantrieb mitangetrieben. Dessen kleine Erregerleistung kann mit einem [[Potentiometer|Stellwiderstand]] ('''5''') gesteuert werden.

Der Anker des Gleichstromgenerators ist direkt an den Anker des Gleichstrommotors angeschlossen; dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis überträgt die Leistung, der darin fließende große Strom muss nicht geschaltet werden – einer der Vorteile des Leonardsatzes. Der Erregerstrom des Motors wird normalerweise nicht geändert, um bei allen Drehzahlen das maximale Drehmoment zur Verfügung zu haben. Mittels [[Feldschwächung]] kann jedoch dessen [[Drehzahl]] auf Kosten des Drehmomentes über die Nenndrehzahl hinaus erhöht werden.

Der Ward-Leonard-Satz ermöglicht verlustarme drehzahlvariable Antriebe und auch die Energierückgewinnung beim Bremsen. Außerdem kann der Gleichstrommotor auch stoßweise belastet werden, ohne dass sich die Laststöße auf das Netz übertragen (Massenträgheit des Maschinensatzes). Das Anfahren des Gleichstrommotors bzw. der angetriebenen Maschine erfolgt durch Hochfahren der Generatorspannung von Null, indem der Erregerstrom des Gleichstromgenerators allmählich erhöht wird. Ein hoher [[Einschaltstrom]] tritt folglich nur beim Start des Asynchronmotors auf.

<div style="clear:right;"></div>

=== Ilgner-Umformer ===
[[Datei:B&O RR powerhouse.jpg|mini|Historische Umformer mit Schwungrad]]
Der Ilgner-Umformer, benannt nach seinem Erfinder [[Karl Ilgner]], beruht auf dem gleichen Prinzip wie der Leonardumformer. Seine Besonderheit ist lediglich ein großes [[Schwungrad]], das mit dem Drehstrommotor gekoppelt ist. Diese Schwungmasse speichert kinetische Energie, die verschieden genutzt werden kann:
* es können damit Antriebsausfälle überbrückt werden
* es können Laststöße abgefangen werden, wie sie zum Beispiel bei Walzantrieben in Stahlwerken vorkommen.

Leonardsätze fanden ihre Anwendung ab Anfang der 1920er Jahre und laufen zum Teil bis heute. Gute Alternativen ergaben sich erst durch [[Thyristorsteller]] und [[Frequenzumrichter]]. Hierbei sind allerdings elektrische Speicher erforderlich, um den mechanischen Energiespeicher des Ilgner-Umformers zu ersetzen.

Die stoßweise Netzbelastung von Walzwerken, Elektrostahlöfen oder anderen Lichtbogen-Öfen führt auch heute zu problematischen Netzspannungsschwankungen, daher baut man sie häufig nahe an Kraftwerken, deren Generatoren und Turbinen Lastschwankungen aufgrund ihrer Massenträgheit ausgleichen können.

<div style="clear:right;"></div>

== Siehe auch ==
* [[Messumformer]]

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor = Hans-Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai, Jürgen Rabens
|Titel = Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik – Die Meisterprüfung
|Auflage = 8. | Verlag = Vogel-Verlag | Ort = Würzburg | Jahr = 1990 | ISBN = 3-8023-0725-9 }}
* {{Literatur
|Autor = Peter Bastian, Horst Bumiller, Monika Burgmaier u. a.
|Titel = Fachkunde Elektrotechnik
|Auflage = 27. | Verlag = Europa-Lehrmittel | Ort = Haan-Gruiten | Jahr = 2009 | ISBN = 978-3-8085-3188-4 }}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Motor generators|Umformer}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4186759-2}}

[[Kategorie:Elektrische Maschine]]
[[Kategorie:Geschichte der Elektrotechnik]]

Umformer - Versionsgeschichte

imported>Graph Pixel: Tippfehler korrigiert.