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[[Datei:Generator.svg|mini|Wechselstromgenerator]]

Ein '''Wechselstromgenerator''' oder auch '''Wechselstromerzeuger''' ist eine besondere Ausführungsform eines [[Elektrischer Generator|elektrischen Generators]], der zur Erzeugung von [[Wechselstrom]] dient.<ref name="Quelle 1" /> Da bei diesem Generatortyp im Gegensatz zum [[Gleichstrommaschine|Gleichstromgenerator]] keine [[Kommutierung]] stattfindet, wird ein Wechselstrom erzeugt, dessen [[Frequenz]] proportional zur Rotordrehzahl ist.<ref name="Quelle 10" /> Für die [[Stromerzeugung]] im großen Stil sind ältere Einphasen-Wechselstromgeneratoren heute nur noch von untergeordneter Bedeutung. Sie werden heutzutage nur für kleine Leistungen (u. a. Notstromversorgungen) bis etwa 2,2 [[Kilowatt]] gebaut. Der am weitesten verbreitete Wechselstromgenerator ist der [[Fahrraddynamo]], der nach dem von [[Hippolyte Pixii]] konstruierten Generatorprinzip funktioniert.<ref name="Quelle 2" /> Deutlich häufiger kommen heute Mehrphasenwechselstromgeneratoren zum Einsatz.

== Geschichte ==
[[Datei:ErzeugungVonWechselspannung.svg|mini|Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators mit Permanentmagnet]]

* 1820 [[André-Marie Ampère]] entdeckt, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflusst
* 1831 [[Michael Faraday]] entdeckt die [[elektromagnetische Induktion]]
* 1832 [[Hippolyte Pixii]] konstruiert den ersten Wechselstromgenerator mit Permanentmagnet
* 1866 [[Werner von Siemens|Werner Siemens]] erbaut den ersten praktisch verwendbaren Generator

Beim ersten Wechselstromgenerator vom Franzosen Hippolyte Pixii rotierte ein [[Hufeisenmagnet]] vor zwei in Reihe geschalteten [[Spule (Elektrotechnik)|Spulen]]. Die sich ändernde magnetische Flussdichte induziert in den Spulen eine Wechselspannung. Da man damals aber nicht an Wechselstrom, sondern an Gleichstrom interessiert war, baute man einen [[Kommutator (Elektrotechnik)|Kommutator]] ein, der aus dem Wechselstrom einen [[Gleichstrom]] machte.<ref name="Quelle 6" /> Dieses Prinzip der Gleichstromerzeugung mittels Kollektor und [[Kohlebürste]]n wird auch heute noch bei den [[Gleichstrommaschine|Gleichstromgeneratoren]] (Dynamo) angewandt.<ref name="Quelle 2" />

== Prinzip ==
Durch die Drehung einer [[Leiterschleife]] in einem Magnetfeld der [[magnetische Flussdichte]] <math>B</math> ändert sich der magnetische Fluss <math>\phi</math> durch die Schleife ständig. Dadurch wird in ihr eine Spannung <math>U_\mathrm{ind}</math> induziert.<ref name="Quelle 3" /> Beschreiben wir die Stellung der Schleife durch den Winkel <math>\gamma</math>, so beträgt der hindurchtretende magnetische Fluss:

:<math>\phi = B \cdot A \cdot \cos \gamma</math>

Rotiert die Schleife mit der Winkelgeschwindigkeit ω, so ist

:<math>\gamma = \omega \cdot t</math>

und die induzierte Spannung

:<math>U_\mathrm{ind} = -\frac{\mathrm d\psi}{\mathrm dt} = U_s \cdot \sin \omega t</math>

<small>Quelle:</small><ref name="Quelle 9" />

Die durch die Rotation im Leiter induzierte Spannung kann durch [[Kohlebürste|Bürsten]] an den [[Schleifring]]en abgegriffen werden.<ref name="Quelle 4" /> Bewegt sich der Leiter quer zum Magnetfeld, wirkt auf ihn bei Stromentnahme die [[Lorentzkraft]]. Diese hemmt die Bewegung der Schleife und somit ist zur Bewegung der Schleife mechanische Arbeit notwendig.

== Aufbau und Funktion ==
[[Datei:InnenpolmaschineMitEinemPolpaar.svg|mini|'''Wechselstromgenerator''' Zweipolige Innenpolmaschine]]
[[Datei:InnenpolmaschineMitZweiPolpaaren.svg|mini|'''Wechselstromgenerator''' Vierpolige Innenpolmaschine]]

Der Wechselstromgenerator besteht aus einem [[Stator]] und einem [[Rotor]].<ref name="Quelle 7" /> Die heute üblichen Wechselstromgeneratoren sind als Einphasen-Synchronmaschinen in Innenpolmaschinenbauweise ausgeführt, d. h. der Rotor ist magnetisch erregt und durch das [[Magnetismus#Magnetische Kraftwirkungen|Erregerfeld]] wird eine Spannung im Stator induziert.<ref name="Quelle 5" /> Zur [[Erregersysteme für Synchronmaschinen|Erregung]] kommen verschiedene Systeme zum Einsatz. So kann das Erregerfeld zum Beispiel durch [[Dauermagnet|Permanentmagnete]] bereitgestellt werden.<ref name="Quelle 10" /> Der Vorteil dabei besteht darin, dass keine Erregerleistung zugeführt werden muss. Eine andere Methode ist die Erregung mittels [[Statische Erregereinrichtung|statischer Erregereinrichtung]], bei der die Erregerleistung über [[Schleifring]]e zugeführt wird.<ref name="Quelle 5" /> Als Puffer und zur Stabilisierung der Erregerspannung dient manchmal ein kleiner [[Akkumulator]]. Zum Start ohne Akkumulator kann auch eine schwache Dauermagnetisierung des Rotors dienen. Nach dem Start des Vorganges der Selbsterregung muss der Erregerstrom geregelt werden, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Der rotierende Feldmagnet induziert in den Statorspulen eine einphasige Wechselspannung, deren Frequenz von der Drehzahl der antreibenden Maschine und von der [[Polpaarzahl]] des Generators abhängig ist. Im Unterschied zum [[Gleichstromgenerator]] rotiert hier jedoch das erregende Feld und [[Elektromagnetische Induktion|induziert]] somit einen [[Elektrischer Strom|Strom]] in der um das rotierende Feld angeordneten stehenden Statorwicklung.<ref name="Quelle 8" />

Da Wechselstromgeneratoren eine einphasige Wechselspannung erzeugen, sind sie nur bedingt für den Betrieb am [[Verbundnetz]] geeignet. So gehören in Deutschland etwa die Generatoren zur Erzeugung von Strom für die Deutsche Bahn in diese Kategorie.<ref name="Quelle 5" /> Im [[Dreiphasenwechselstrom|Dreiphasennetz]] kann die Einspeisung dieser Einphasen-Wechselspannung zu einer Unsymmetrie führen, weshalb Wechselstromgeneratoren ansonsten nur in Kleinwasserkraftwerken am Netz betrieben werden.

Eine andere Art von Wechselspannungsgeneratoren sind [[Asynchrongenerator]]en. Eine einphasige Asynchronmaschine ist, angeschlossen an Netzspannung, in der Lage, als Generator zu arbeiten, wenn sie um den [[Schlupf]] schneller als die Synchrondrehzahl gedreht wird. Ist kein Netzanschluss vorhanden, behilft man sich mit [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]], um die [[Blindleistung]] zu kompensieren bzw. die Erregung bereitzustellen. Solche selbsterregten Asynchron-Generatoren benötigen jedoch für den Betrieb eine [[Remanenz|Rest-Magnetisierung]] des Kurzschlussläufers oder einen Start-Stromimpuls.

== Einsatzbereiche ==
* [[Kleinwasserkraft]]werke
* Kleine [[Windkraftanlage]]n
* [[Notstromaggregat]]e (bis 2,2 kW)
* Wechselspannungslichtmaschine an Fahrrädern und manchen Motorrädern

== Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke ==
* EN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen
* DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufende elektrische Maschinen
* EN 60034-5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen
* EN 60034-6 Kühlarten, drehende elektrische Maschinen

== Siehe auch ==
* [[Maschinensender]] (Wechselstromgenerator für hohe Frequenzen zur Speisung einer [[Sendeantenne]])
* [[Wechselstrommotor]]
* [[Elektromotor]]

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Quelle 1">Hans-Günter Boy, Horst Flachmann: ''Die Meisterprüfung - Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik.'' 4. Auflage. Vogel, Würzburg 1983, ISBN 3-8023-0725-9, S. 151.</ref>
<ref name="Quelle 2">RWE AG: ''[https://www.rwe.de/web/cms/de/46376/magazin/2008/ausgabe-1/elektrische-generatoren/vom-bernsteinmagneten-zum-wechselstromgenerator/ Vom Bernsteinmagneten zum Wechselstromgenerator: Entwicklungsgeschichte der Elektro-Generatoren].'' In: ''RWE Magazin.'' Nr. 01, 2008.</ref>
<ref name="Quelle 3">Günter Springer: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' 18. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9, S. 93–98, 296.</ref>
<ref name="Quelle 4">Gisbert Kapp: ''Dynamomaschinen für Gleich- und Wechselstrom''. Dritte, vermehrte und verbesserte Auflage. Verlag R. Oldenbourg, München 1899, S. 286–298.</ref>
<ref name="Quelle 5">Wolfgang Courtin: ''Elektrische Energietechnik''. Einführung für alle Studiengänge, Verlag Friedrich & Sohn, Wiesbaden 1999, ISBN 3-528-03856-X, S. 57–58.</ref>
<ref name="Quelle 6">Hans-Joachim Braun: ''Die 101 wichtigsten Erfindungen der Weltgeschichte''. 2., aktualisierte Auflage. Verlag C.H. Beck, München 2007, ISBN 978-3-406-56466-6, S. 66–67.</ref>
<ref name="Quelle 7">[[Ekbert Hering]], Rolf Martin, Martin Stohrer: ''Taschenbuch der Mathematik und Physik''. 5., aktualisierte und erweiterte Auflage. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-78684-9, S. 369.</ref>
<ref name="Quelle 8">Engelbert Arnold (Hrsg.): ''Die Wicklungen der Wechselstrommaschinen''. Dritter Band: ''Die Wicklungen der Wechselstrommaschinen.'' Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1904, S. 1–11.</ref>
<ref name="Quelle 9">Wilhelm Raith: ''Lehrbuch der Experimentalphysik''. Band 2: ''Elektromagnetismus.'' 9. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2006, ISBN 3-11-018898-8.</ref>
<ref name="Quelle 10">Wilhelm Lehmann, Ramon Geisweid: ''Elektrotechnik und elektrische Antriebe''. 7., völlig neu bearbeitete Auflage. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1973, S. 350–354.</ref>
</references>

== Weblinks ==
{{Commonscat|Alternators}}

* [http://www.physikdidaktik.uni-bayreuth.de/lehre/fachdidii/ss1999/Aufgabe12/a1.html Funktionsmodell eines Wechselstromgenerators] (abgerufen am 5. August 2016)
* [http://www.zum.de/dwu/depotan/apem111.htm Animationsmodell eines Wechselstromgenerators] (abgerufen am 5. August 2016)
* [http://www.physnet.uni-hamburg.de/ex/html/versuche/elmag/E10_06/index.html Versuchsaufbau Wechselstromgenerator] (abgerufen am 5. August 2016)

[[Kategorie:Elektrischer Generator]]

Wechselstromgenerator - Versionsgeschichte

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