Was ist Drehstrom? – Erzeugung und Grundprinzip

Drehstrom ist ein System aus drei Wechselspannungen, die

• die gleiche Frequenz (in Europa 50 Hz) und
• den gleichen Effektivwert haben,
• aber zeitlich um jeweils 120° gegeneinander versetzt sind.

Im einphasigen Wechselstromnetz wird zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter eine einzige Wechselspannung übertragen. Sie schwingt sinusförmig auf und ab, geht durch null und wechselt ihre Polarität. Genau in den Nulldurchgängen passiert kurz nichts – kein Strom, keine übertragene Leistung. Bei einem Motor, der mit nur einer Phase betrieben wird, führt das zu einer pulsierenden Drehmoment-Erzeugung.

Drehstrom umgeht dieses Problem, indem nicht eine, sondern drei solcher Wechselspannungen gleichzeitig übertragen werden. Die zeitliche Versetzung von 120° sorgt dafür, dass immer mindestens zwei der drei Phasen Energie liefern – die Versorgung wirkt nach außen wie ein gleichmäßiger Strom.

Warum genau drei? Mathematisch und technisch zeigt sich, dass drei phasenversetzte Spannungen das Optimum sind. Zwei Phasen genügen nicht, um ein gleichmäßiges magnetisches Drehfeld zu erzeugen – das ist die Grundlage für Drehstrommotoren. Vier oder mehr Phasen würden mehr Leiter erfordern, ohne nennenswerten Zusatznutzen. Drei ist die kleinste Zahl, mit der sich ein vollwertiges Drehfeld erzeugen lässt, und sie kommt mit nur drei (oder vier) Leitern aus.

Drehstrom entsteht nach demselben Grundprinzip wie einphasiger Wechselstrom: Ein Magnetfeld bewegt sich relativ zu einer Spule, und in der Spule wird eine Spannung induziert. Der Unterschied liegt darin, dass im Drehstromgenerator drei Spulen statt einer eingesetzt werden – und diese drei Spulen sind im Stator räumlich um 120° gegeneinander versetzt eingebaut.

Der prinzipielle Aufbau:

• Der Stator ist der feststehende äußere Teil. In ihm sitzen die drei Wicklungsstränge U, V und W, jeweils um 120° versetzt.
• Der Rotor (auch Polrad genannt) ist der drehende innere Teil. Er trägt einen Magneten, meistens als Elektromagnet ausgeführt, der durch eine Gleichstromwicklung erregt wird.
• Wird der Rotor mechanisch angetrieben, dreht sich sein Magnetfeld an den drei Statorspulen vorbei. In jeder Spule wird eine sinusförmige Wechselspannung induziert. Weil die Spulen räumlich um 120° versetzt sind, sind die drei Spannungen auch zeitlich um 120° versetzt – das ist der Kerngedanke.

Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Frequenz lässt sich einfach beschreiben. Bei einer einzelnen Polpaar-Maschine (also einem Nord-Süd-Polpaar auf dem Rotor) entspricht eine mechanische Umdrehung genau einer elektrischen Periode. Bei einem Generator mit p Polpaaren liefert eine Umdrehung des Rotors p elektrische Perioden. Daraus folgt:

Wird die Drehzahl in 1/min angegeben (was in der Praxis üblicher ist), muss durch 60 geteilt werden:

Aus dieser Formel lässt sich umgekehrt die nötige Drehzahl weitleiten, mit der ein Generator laufen muss, um die Netzfrequenz von 50 Hz zu erzeugen: Bei zweipoliger Ausführung (p = 1) sind das 3000 1/min, bei vierpoliger (p = 2) genau 1500 1/min, bei sechspoliger (p = 3) 1000 1/min. Schnelldrehende Turbogeneratoren in Wärmekraftwerken arbeiten meist mit p = 1, während die langsam drehenden Wassergeneratoren in Wasserkraftwerken Polpaarzahlen von 20 oder mehr haben.

Die drei Spannungen eines Drehstromsystems lassen sich mathematisch sauber als Sinusfunktionen beschreiben. Wenn Û den Scheitelwert und ω = 2·π·f die Kreisfrequenz bezeichnet, gilt:

Die Phase u1 dient dabei als Bezugsphase. u2 läuft 120° hinterher, u3 nochmals weitere 120° (also insgesamt 240°). Statt minus 240° kann man auch plus 120° schreiben – das Ergebnis ist identisch.

Grafisch sieht das so aus:

Eine bemerkenswerte Eigenschaft folgt direkt aus der Mathematik: Die Summe der drei Augenblickswerte ist zu jedem Zeitpunkt null:

Das gilt nicht nur im zeitlichen Mittel, sondern auch momentan. Wenn eine Phase gerade ihr positives Maximum erreicht, sind die beiden anderen jeweils auf halbem Weg in die negative Richtung – ihre Summe gleicht den positiven Spitzenwert exakt aus.

Diese Eigenschaft hat eine sehr praktische Konsequenz: Wenn an alle drei Phasen gleich große Verbraucher angeschlossen sind (also eine symmetrische Belastung), heben sich die zurückfließenden Ströme im Neutralleiter gegenseitig auf. Der Neutralleiter führt then theoretisch keinen Strom. In der Praxis ist die Belastung selten exakt symmetrisch, deshalb wird der Neutralleiter trotzdem mit ausgelegt, aber im Idealfall könnte man ihn weglassen – und genau das tut man auch bei Drehstrommotoren, die nur über die drei Außenleiter angeschlossen werden.

Damit Drehstrom in der Praxis nutzbar ist, brauchen die Leiter eindeutige Bezeichnungen. Im aktuellen Standard werden die drei Außenleiter mit L1, L2 und L3 bezeichnet. Ältere Pläne und Anlagen verwenden noch die früheren Buchstaben R, S, T – inhaltlich sind das die gleichen drei Außenleiter.

Hinzu kommen zwei weitere Leiter:

• N ist der Neutralleiter (früher als Mittelpunktleiter oder „Mp“ bezeichnet). Er führt die Rückströme bei unsymmetrischer Belastung.
• PE ist der Schutzleiter (Protective Earth). Er ist mit die Anlagenerdung verbunden und schützt im Fehlerfall vor gefährlichen Berührungsspannungen.

Die Aderfarben sind in Österreich durch die geltenden Aderkennzeichnungsvorschriften festgelegt:

Die Farbe Grün-Gelb ist ausschließlich dem Schutzleiter vorbehalten und darf für keine andere Funktion verwendet werden – das ist eine zentrale Sicherheitsregel.

Hinweis für Arbeiten an Altanlagen: In älteren Anlagen können noch abweichende Aderfarben vorkommen, weil die heutigen einheitlichen Farben erst nach die europäische Harmonisierung verbindlich wurden. Auf die Farbe allein darf man sich beim Identifizieren der Leiter daher nie verlassen – vor jeder Arbeit ist der spannungsfreie Zustand mit einem zweipoligen Spannungsprüfer eindeutig festzustellen.

Im österreichischen Niederspannungsnetz sind zwei Spannungen gleichzeitig verfügbar:

• Die Strangspannung zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter: 230 V.
• Die Außenleiterspannung zwischen zwei Außenleitern: 400 V.

Die beiden Werte stehen in einem festen Verhältnis zueinander – aus dem Drehstromsystem ergeben sich die zwei Spannungen mit unterschiedlicher Größe direkt aus die geometrische Lage die Phasen. Wie diese beiden Spannungen genau zusammenhängen und wie sich der Verkettungsfaktor herleiten lässt, behandelt der Beitrag Drehstromsystem: Strang- und Außenleiterspannung.

In welcher Reihenfolge die drei Phasen ihre Maxima erreichen, ist nicht beliebig – die Reihenfolge bestimmt, in welche Richtung sich ein angeschlossener Drehstrommotor dreht. Die Standardreihenfolge ist L1 → L2 → L3, also: Erst hat u1 sein Maximum, 120° später u2, weitere 120° später u3. Diese Reihenfolge erzeugt ein Rechtsdrehfeld – das vorgegebene Standardverhalten in europäischen Drehstromnetzen.

Werden zwei beliebige Außenleiter vertauscht, kehrt sich die Reihenfolge um (zum Beispiel L1 → L3 → L2). Dadurch entsteht ein Linksdrehfeld, und ein angeschlossener Drehstrommotor dreht in die entgegengesetzte Richtung. Welche zwei Phasen man genau tauscht, ist egal – jeder Tausch zweier Außenleiter dreht die Phasenfolge um.

Diese einfache Regel ist auch das Standardverfahren, um die Drehrichtung eines Drehstrommotors umzukehren: Zwei Außenleiter am Klemmenbrett werden gegeneinander getauscht. Wie das genaue Drehfeld zustande kommt und wie es im Motor in mechanische Drehbewegung umgesetzt wird, ist Thema des Beitrags Drehfeld.

Zur Prüfung gibt es Drehfeldmessgeräte (auch Phasenfolgeprüfer oder Drehrichtungsanzeiger genannt). Sie werden an die drei Außenleiter angeschlossen und zeigen entweder über eine kleine drehende Scheibe, eine LED-Anzeige oder ein elektronisches Display, ob ein Rechts- oder Linksdrehfeld vorliegt. In die Inbetriebnahme von Maschinen ist diese Prüfung Standard – bevor ein Motor freigegeben wird, weiß man sicher, in welche Richtung er anlaufen wird.

Warum hat sich Drehstrom für die öffentliche Versorgung und für industrielle Anwendungen durchgesetzt, obwohl Einphasen-Wechselstrom für viele Haushaltsanwendungen ausreicht? Die Antwort liegt in mehreren Vorteilen, die zusammen ein sehr überzeugendes Bild ergeben.

Wirtschaftliche Übertragung. Drehstrom überträgt mit drei (oder vier) Leitern mehr Leistung als ein Einphasensystem mit denselben Leiterquerschnitten. Bei symmetrischer Belastung kann der Neutralleiter theoretisch entfallen oder sehr klein dimensioniert werden – die Hochspannungs-Übertragungsleitungen quer durch Europa haben oft gar keinen Neutralleiter, weil dort sehr symmetrische Lasten herrschten. Weniger Kupfer oder Aluminium bedeutet geringere Kosten bei gleicher übertragener Leistung.

Konstante Gesamtleistung. Bei Einphasen-Wechselstrom pulsiert die Augenblicksleistung mit die doppelten Netzfrequenz – sie schwankt zwischen null und ihrem Spitzenwert. Bei symmetrisch belastetem Drehstrom heben sich diese Schwankungen gegenseitig auf, und die Gesamtleistung ist zeitlich konstant. Das macht Drehstrom besonders geeignet für Motoren: Sie laufen ruhig, mit gleichmäßigem Drehmoment, ohne pulsierende Schwingungen. Die genauen Berechnungen zur Drehstromleistung (Wirk-, Blind- und Scheinleistung im Drehstromsystem) zeigt der Beitrag Drehstromleistung.

Drehfeld für Motoren. Aus den drei phasenversetzten Strömen lässt sich in einer Drehstrommaschine ein magnetisches Drehfeld erzeugen – das eigentliche Erfolgsgeheimnis die Drehstromtechnik. Drehstrommotoren brauchen keine Kommutatoren oder Anlaufkondensatoren, sie kommen mit drei Anschlussklemmen aus, sind robust und langlebig. Wie das Drehfeld zustande kommt, behandelt der Beitrag Drehfeld.

Zwei Spannungen aus einem System. Wie schon in Kapitel 4 erwähnt, liefert das 400-V-Drehstromnetz gleichzeitig 230 V zwischen Außenleiter und Neutralleiter sowie 400 V zwischen zwei Außenleitern. Damit kann dasselbe Netz Beleuchtung und kleine Verbraucher (230 V) sowie große Motoren und Heizgeräte (400 V) versorgen, ohne dass zwei getrennte Netze nötig wären.