Wenn Sie wollen, dass es überall läuft: Setzen Sie auf Generatoren

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Wenn Sie wollen, dass es überall läuft: Setzen Sie auf Generatoren

Jeder kennt das Problem: Es wird dringend Strom benötigt, aber es ist keine Steckdose vorhanden. Ob für den Antrieb von Windmaschinen oder eine Grillparty im Wald, Generatoren sind äußerst nützliche Geräte und helfen bei diesen Problemen aus. Der Name ist lateinischen Ursprungs und entstammt dem Wort generare, was mit dem Begriff "erzeugen" übersetzt werden kann. Die Maschine wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um und funktioniert damit genau gegenteilig zu einem Elektromotor, der in vielen Kraftfahrzeugen und Bahnen angewendet wird. Alle im weiteren Text beschriebenen Generatoren arbeiten über die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie.

Ein Generator funktioniert durch elektromagnetische Induktion. Diese beschreibt das Entstehen eines elektrischen Felds, wenn sich eine magnetische Flussdichte verändert. Die Spannungen, welche durch diese Veränderungen entstehen, werden Induktionsspannung genannt.

Die wichtigste Frage zuerst: Wie funktionieren Generatoren?

Die mechanische Bewegung, meist eine Drehbewegung, überträgt sich auf die bewegte Ladung in einem magnetischen Feld. Wenn sich ein Leiter senkrecht zum Magnetfeld bewegt, so wirkt diese Kraft auf die Ladungen im Leiter und setzt sie in Bewegung. Dadurch entsteht elektrische Spannung. Die Leiter werden meist in Form von Spulen in Reihen geschaltet, um die Spannung noch zu erhöhen. Elektrische Generatoren dürfen nicht mit elektrostatischen Generatoren verwechselt werden, denn diese arbeiten nicht über das magnetische, sondern über ein elektrisches Feld.

Im Inneren des Generators wird ein Rotor oder Läufer gedreht. Das dabei unbewegliche Gehäuse wird als Stator-Gehäuse oder Ständer bezeichnet. Auf dem beweglichen Rotor ist ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet fixiert. Durch die regelmäßige Bewegung wird ein ständig wechselndes Magnetfeld erzeugt. Gleichstromgeneratoren haben die Magneten oder Spulen außerhalb angebracht. Über den Läufer wird Strom induziert und der generierte Strom gleichgerichtet.

Energie ist unzerstörbar – daher wird die eingehende mechanische Energie in gleicher Leistung als elektrische Energie abgegeben. Das ist zumindest die Theorie eines idealen Generators. Ein realer Generator verliert Energie über verschiedenste Verluste durch Widerstände, Wärme, Materialverluste, etc. Deshalb ist die Eingangsenergie nie hundert prozentig wie die Ausgangsenergie. Die erzeugte Spannung ist umso größer, je weiter das Erregungsfeld ist und kann über dieses gesteuert werden.

Unterschiedliche Generatoren und ihre Wirkungsweise

Wechselstromgenerator

Ein Wechselstromgenerator muss durch die Bewegung des Rotors ein möglichst gleichmäßiges magnetisches Feld erzeugen. Für diesen Zweck sind an ihm, außer an der Spule, noch zusätzliche Polschuhe angebracht. Diese bestehen für gewöhnlich aus Eisen und dienen der besseren Verteilung magnetischer Feldlinien. Die Wicklung muss sehr stabil sein, damit sie die ständigen und teilweise auch recht hohen Fliehkräfte unbeschadet übersteht. Ein solcher Aufbau benötigt Schleifringe, welche die Spule versorgen.

Gleichstromgenerator

Ein Gleichstromgenerator benötigt für die Gleichrichtung des Wechselstroms einen Gleichrichter.

Asynchrongenerator

Die Rotoren von Asynchrongeneratoren haben keine Schleifringe, sondern funktionieren mittels eines Kurzschlussläufers. Diese Generatoren haben den Nachteil, dass sie nur dann Strom liefern können, wenn sie bereits Strom erzeugen oder an eine Wechselspannung angeschlossen sind. Deshalb wird zumeist ein Kondensator, ein Bauelement, das elektrische Energie speichern kann, mit verbaut.

Großtechnische Generatoren

Großtechnische Generatoren bestehen aus einer großen Induktionsspule mit einem Kern aus vielen übereinandergeschichteten, aber isolierten Blechmetallen. Diese Isolierung soll Verwirbelungen vermeiden, die ein massiver Eisenkörper weit deutlicher auslösen würde. Diese Art von Generatoren sind zumeist Synchronmaschinen. Die Bezeichnungen synchron und asynchron entstammen dem Verhalten des Läufers. Läuft dieser gleichmäßig mit dem durch die Netzfrequenz vorgegebenen Drehfeld mit, handelt es sich um einen Synchrongenerator. Eilt der Läufer diesem voraus, ist es ein Asynchrongenerator.

Außenpolgenerator und Innenpolgenerator

Ein Außenpolgenerator wird so gebaut, dass die Spulen sich direkt am Stator also am Kern des Generators befinden. Dessen Feldlinien durchsetzen die Wicklung und erzeugen in ihnen Wechselspannung. Über Schleifringe und Kolben wird die Spannung abgeleitet. Diese Bauform geht allerdings mit recht großen Energieverlusten einher, weshalb sie für gewöhnlich nur für kleinere Maschinen verwendet wird. Beim gegenteiligen Innenpolgenerator befinden sich die Spulen oder je nach Bauform auch Permanentmagneten am Rotor selbst. Diese werden vielfach in Kraftwerken eingesetzt.

Nebenschlussgeneratoren

Nebenschlussgeneratoren haben zwei Wicklungen, die Feld- oder Erregerwicklung und die Ankerwicklung. Diese sind parallel zueinander geschaltet. Das macht den Generator angesichts wechselnder Belastung weit weniger anfällig. Gleichstromlichtmaschinen, die vor den 1970-er Jahren als Generatoren für Autos dienten, gehören zu diesem Typus.

Hauptschlussgenerator und Verbundgenerator

In einem Hauptschlussgenerator sind die Wicklungen nicht parallel, sondern hintereinander geschaltet. Deshalb wird er auch Reihenschlussgenerator genannt. Ebenso wie der Nebenschlussgenerator kann diese Maschine sich selbst erregen. Sehr nachteilig ist allerdings bei dieser Bauweise, dass die Spannung des Generators von dessen Belastung abhängig ist. Deswegen finden Hauptschlussgeneratoren auch kaum noch Verwendung in der Praxis. Öfter wird auf eine Kombination dieser beiden Prinzipien im Verbundgenerator zurückgegriffen. Sie sind beispielsweise als Erregergeneratoren für leistungsstärkere Synchrongeneratoren in Verwendung.

Einphasen-Wechselstromgenerator

Eine allseits bekannte Generator-Anwendung ist der Fahrrad-Dynamo. Dieser kleine Einphasen-Wechselstromgenerator erzeugt durch die Bewegung des Rades Licht. Meist sind diese Generatoren ungeregelt, stabilisieren ihre Spannung aber ab einer gewissen Drehzahl. Sie können in Form von Seitenläuferdynamos neben dem Rad angebracht oder als Nabendynamo direkt im Vorderrad verbaut sein.

Unipolargeneratoren

Unipolargeneratoren erzeugen hohen Gleichstrom mit niedriger Spannung. Diese Generatoren arbeiten nicht mit Gleichrichtern, sondern erzeugen tatsächlich sofort pulsierenden Gleichstrom. Anwendungstechnisch erfreuen sich diese Generatoren momentan nicht besonders großer Beliebtheit, da Gleichstromgeneratoren in Kombination mit Kommutatoren immer noch deutlich leistungsfähiger sind.

Bandgeneratoren

So manchem noch aus dem Physikunterricht zu Schulzeiten bekannt ist der Bandgenerator. Dieses Gerät kann Hochspannungen erzeugen, hat aber einen nur sehr geringen Wirkungsgrad. Die Spannungs-Initiation geschieht durch Reibungselektrizität. Diese entsteht durch das Abrollen eines Bandes von einer Rolle. In der Regel sind Bandgeneratoren für Menschen nicht besonders gefährlich, da der Entladestrom nur kurzzeitig hoch ist. Sie müssen lediglich darauf achtgeben, dass keine Bauteile in der Nähe sind, welche diese Energie so lange speichern, bis ein elektrischer Schlag doch gefährlich werden könnte. Da Bandgeneratoren in den meisten Schulversuchen die einzigen elektrischen Maschinen sind, müssen Sie sich keine Sorgen um die Sicherheit der Schüler machen.

Einige Anwendungsbeispiele verschiedener Generator-Typen

Die Lichtmaschine sorgt in einem Fahrzeug dafür, dass alle elektrischen Verbraucher mit Energie versorgt werden. Da für gewöhnlich eine Batterie zugesetzt ist, steht der Strom eine begrenzte Zeit lang auch bei ausgeschaltetem Motor zur Verfügung. Dieser Generator, auch Dynamo genannt, wird vom Motor des Fahrzeugs angetrieben, meist mittels eines Riemens oder über eine Kurbelwelle. In den meisten Autos ist ein Drehstromgenerator eingebaut, der Wechselstrom erzeugt, der allerdings durch Leistungshalbleiter vor der Weitergabe an Verbraucher gleichgerichtet wird. Die Benennung entstammt der früheren Funktion, allein den Scheinwerferbetrieb zu ermöglichen. Heutzutage ist die Elektrik aus Pkws gar nicht mehr wegzudenken. Von einfachen Fensterhebeln bis hin zu multifunktionalen Boardcomputern gibt es eine Menge elektrischer Geräte, die für ihr Funktionieren Strom benötigen.

Für die Erzeugung nachhaltiger Energie werden mehr und mehr Windgeneratoren eingesetzt. Diese ähneln in ihrem Aufbau den Windkraftanlagen: Über einen Rotor wird die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie umgewandelt. Während Windkraftanlagen für gewöhnlich an ein Netz angeschlossen sind und gewaltige Energien erzeugen, sind Windgeneratoren eher für einen kleineren Betrieb ausgelegt. Durch ihre geringe Größe sind sie weitaus mobiler und können beispielsweise auch auf einem Schiff elektrische Energie zur Verfügung stellen. Die kleinen Maschinen werden oft gemeinsam mit Warmwasserspeichern oder Akkus verwendet und können leistungstechnisch einen Dieselgenerator ersetzen.

Stromaggregate sind jene Geräte, welche Ihnen Unabhängigkeit vom Stromnetz meist in Form tragbarer Apparate bieten können. Daher werden sie unter anderem auch Notstromgeneratoren genannt. Diese kleinen Maschinen können mühelos elektrische Geräte wie Computer, Kühlschränke oder auch Notlichtanlagen versorgen. Es gibt allerdings auch große, fixierte Stromaggregate, die enorm große Leistungen erbringen können. Sie sind für den Haushalt im Normalfall weder geeignet noch notwendig. Krankenhäuser brauchen zum Beispiel solche Notstromgeräte, die im Falle eines Stromausfalls verlässlich anspringen und diesen sofort ersetzen. Damit möglichst keine stromfreie Übergangszeit bleibt, arbeiten sie in dieser Form oft in Kombinationen mit Batterien oder Akkus.

Meistens werden die mobilen Aggregate mit Benzin- oder Dieselmotoren angetrieben und per Seilzug, Druckluft oder mittels eines elektrischen Anlassers gestartet. Im Vergleich zu Windgeneratoren produzieren sie unangenehm riechendes Abgas.

Das Finden eines Generators für Ihr persönliches Einsatzgebiet

Die Auswahl an Generatoren ist groß. Das liegt nicht zuletzt daran, dass es so viele verschiedene Generatoren unterschiedlichster Bau- und Funktionsweise gibt. Eines haben all diese Geräte allerdings gemeinsam: Sie können dort Strom erzeugen, wo es keine Netzanbindung gibt. Beinahe alle privat erstandenen Generatoren sind handliche und tragbare Maschinen. Das muss Sie in Ihrer Wahl natürlich nicht beeinflussen.

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